MATERIAL FOSFOR KARBON NANODOT DAN SIFAT LUMINESCENCE Ridwan Setiawan (1127030058) Jurusan Fisika Fakultas Sains dan Teknologi UIN Sunan Gunung Djati Bandung Tahun 2014 Email: setiawan.ridwan@student.uinsgd.ac.id ABSTRAK Eksperimen tentang material fospor karbon nanodot dan sifat luminescence merupakan salah satu kajian dari fisika material. Karbon nanodot (Carbon Nanodots; CNDs) merupakan material nano anorganik yang tersusun dari material karbon. Dari material-material nano ini akan menghasilkan nanoteknologi. Tujuan dari eksperimen ini yaitu Memahami sintesis CNDs (Karbon Nanodot), mengetahui pendaran yang dihasilkan karbon nanodot, karakterisasi larutan karbon nanodot, menentukan pendaran yang paling baik dengan parameter waktu dan konsentrasi larutan. Dalam eksperimen digunakan parameter waktu dan konsentrasi, karena waktu memanaskan larutan akan mempengaruhi konsentrasi larutan dan hal itu bisa terlihat dari warna pendaran yang terbentuk dengan sinar UV. Ternyata sampel yang baik merupakan sampel yang memiliki waktu pemanasan lebih lama serta perbandingan berat asam sitrat (C6H8O7) dan urea ((NH2)2CO) adalah 1:6. Kata Kunci : Karakterisasi, Karbon Nanodot (CBDs), Pendaran, dan UV-Vis Spectrometer. Ridwan Setiawan 1
1. Dasar Teori Salah satu ilmu pengetahuan yang sedang berkembang dengan pesat saat ini adalah nanosains. Sesuai dengan namanya, nanosains adalah ilmu dimana manusia berusaha untuk mempelajari berbagai gejala-gejala alam yang berukuran nanometer. Perlu diketahui bahwa 1 nanometer sama dengan 10-9 meter. Sebagai ilustrasi ukuran nanometer ini, jika dianggap bahwa jari-jari bumi ini adalah 1 meter, maka jari-jari sepakbola adalah sekitar 1 nanometer. Berbagai contoh gejala maupun obyek alam yang berada pada ukuran nanometer, di antaranya adalah protein sintesis partikel virus, dan partikel titanium dioksida/platinum. Nanoteknologi yang mulai banyak digunakan pada saat ini setidaknya memiliki dua keunggulan. Pertama, dengan ukuran yang sangat kecil (0,1 nm - 100 nm) material menjadi lebih mudah bereaksi. Kedua, apabila ukurannya lebih kecil dari 100 nm efek pengurungan kuantum tidak bisa diabaikan. Efek kurungan ini mengurung pembawa (baik elektron atau hole) pada dimensi tertentu. Dengan adanya efek pengurungan kuantum ini, kemudian dikenal 3 istilah yang baru, quantum well, quantum wire, dan quantum dots. Quantum well, adalah struktur dimana elektronnya terkurung pada satu arah atau pada 1 dimensi sehingga elektron hanya bisa bergerak pada dua dimensi lainnya. Apabila pengurungan ini terjadi pada 2 dimensi dan elektron hanya bisa bergerak pada satu dimensi, dikenal quantum wire. Sementara quantum dots yang menjadi topik bahasan pada Tugas Akhir ini, adalah struktur dimana tidak ada satu derajat kebebasan pun tersisa. Elektron terkurung ke segala arah, sehingga tidak bisa bergerak ke arah manapun (Charles, 2003). Elektron dalam kondisi yang tidak bisa bergerak ke arah manapun, seperti dalam struktur quantum dots, menjadikan elektron ini mudah dikendalikan. Perubahan sedikit saja akan merubah sebagian atau keseluruhan sifatnya. Dengan demikian dengan fabrikasi tertentu akan didapatkan struktur yang diinginkan. Misalnya mengendalikan emisi dan absorpsi cahayanya (Kohki, 1999). Pemanfaatan quantum dots, misalnya, digunakan untuk meningkatkan efisiensi pada sel surya (Edwin, 2009), pada dunia medis sebagai agen perantara obat dan pencitraan medis (Ian, 2009), pada elektronika seperti transistor (Lei, 1998), LED (Lin, 2010), dan juga laser (Nikolai, 2002). Yang menarik lainnya adalah kemungkinan quantum dots akan menggantikan sistem biner pada alat elektronika masa kini. Di bidang quantum computer, dikenal istilah qubit, quantum bit, yang Ridwan Setiawan 2
diproyeksikan akan meningkatkan kemampuan peralatan komputer saat ini, yang sudah mendekati limit hukum Moore. (Eugenie, 2011). Pemanfaatan tersebut tidak bisa dilepaskan dari penelitian mengenai struktur elektronik dari quantum dots, terutama yang berkaitan dengan profil energi, baik pada keadaan dasar maupun keadaan transisi, baik pada keadaan tanpa medan magnet eksternal, ataupun dengan pengaruh medan magnet eksternal. Profil energi pada keadaan dasar ditemukan dengan menyelesaikan persoalan persamaan Schrodinger pada keadaan dasar. Berbagai macam pendekatan dilakukan untuk menyelesaikan persoalan ini yakni dengan merubah persamaan Schrodinger untuk benda jamak menjadi persamaan elektron tunggal. Yang banyak digunakan hingga saat ini adalah seperti yang diajukan oleh Kohn dan Sham di tahun 1965, dimana energi keadaan dasar diasumsikan sebagai fungsi dari densitas elektron pada keadaan tersebut yang juga dapat dipandang sebagai distribusi probabilitasnya. Teorinya dikenal sebagai teori kerapatan fungsional (Density Functional Theory - DFT). Teori ini dianggap lebih baik dari teori yang berkembang sebelumnya, seperti Hartree-Fock. Teori ini berhasil membuktikan pada keadaan dasar energi total dari sistem elektronik digambarkan oleh rapat elektronnya. Energi total ini kemudian diminimalisasi hingga nilai terkecilnya untuk mendapatkan nilai eigen energi dari sistem. Kesulitan terjadi dalam perhitungan energi exchange dan energi correlation yang diatasi dengan menggunakan pendekatan, diantaranya, yang digunakan adalah pendekatan kerapatan lokal (Local Density Approximation - LDA) (Enrico, 2003). 2. Metode Percobaan Waktu dan Tempat Eksperimen tentang karbon nano dot ini dilaksanakan pada hari Jum at, 14 November 2014 pukul 08.00 WIB bertempat di Laboratorium Fisika Material UIN Sunan Gunung Djati Bandung. Alat dan Bahan Alat dan bahan yang digunakan adalah asam sitrat (citric acid, C6H8O7), urea ((NH2)2CO), aquades, microwave rumah, tabung ukur, crucible, spatula, timbangan, pengaduk magnetik, dan cawan gelas. Prosedur Percobaan Prosedur eksperimen sintesis karbon nanodot (CNDs) menggunakan pemanasan gelombang mikro, dimana dibuat 11 sampel dengan variasi waktu dan komposisi serta perbandingan berat Ridwan Setiawan 3
asam sitrat (citric acid, C6H8O7) dan urea Gambar saat eksperimen ((NH2)2CO). Sampel A adalah variasi waktu dan B adalah variasi komposisi. Setelah semua sampel A dikeluarkan dari microwave, bandingkan semua sampel A dan lihat warna serta pendaran yang terjadi pada masing-masing gelas kimia ketika di sinar UV. Lihat pendaran yang paling baik di sampel A, kemudian gunakan waktunya untuk sampel B. Setelah itu bandingkan dan lihat hasilnya Gambar 1. Larutan Karbon Nanodot (CNDs) Sampel A dan B Tampak Depan ketika di sinar-uv. 3. Data dan Pembahasan A. Data Pengamatan Tabel 1. Parameter sintesis nano dot Variasi Sampel Perbandingan Berat Asam Sitrat (g) Ure a (g) Daya Micro wave (W) Waktu (s) Gambar 2. Larutan Karbon Nanodot (CNDs) Sampel A dan B Tampak Samping A1 0,015 3 60 A2 0,015 3 90 A Waktu A3 0,015 3 120 A4 0,015 3 150 A5 0,015 3 180 B1 1 3 B2 0,5 3 800 B Komposisi B3 0,125 3 B4 0,075 3 B5 0,035 3 180+60 B6 0,015 Gambar 3. Sampel A dan B Dipanaskan Selama 60 B7 - - menit (Karakterisasi) Ridwan Setiawan 4
Gambar 4. Sampel A dan B Dipanaskan pada Waktu Tertentu Gambar 7. Sampel A di Sinar-UV Gambar 5. Keadaan Sampel A Setelah Dilakukan Pemanasan dengan Variasi Waktu Gambar 8. Sampel B Setelah Dipanaskan Selama 240 s Gambar 9. Sampel B Ketika di Sinar-UV Gambar 6. Spektometer Sinar-UV B. Pembahasan Eksperimen tentang nanodot yang merupakan salah satu kajian fisika material. Dimana dalam konsentrasi ini akan dipelajari tentang bagaimana sifat dari suatu material atau bahan (dikenal dengan istilah Ridwan Setiawan 5
karakterisasi). Begitupun dalam eksperimen ini, disini kita dapat 5 mengetahui dan menentukan sifat atau karakterisasi dari larutan karbon nanodot (CNDs). Dimana karbon nanodot yang digunakan terdiri dari asam sitrat (C6H8O7) dan urea ((NH2)2CO) yang dilarutkan ke dalam aquades. Dengan berbeda variasi setiap sampel, yaitu sampel A adalah variasi waktu dan sampel B adalah variasi komposisi. Pada sampel A perbandingan konsentrasi asam sitrat (C6H8O7) dan urea ((NH2)2CO) adalah sama yaitu 0,015 gr : 3,0 gr. Dari sampel ini dapat diketahui mana sampel yang paling baik, kemudian waktu pemanasan yang digunakan pada sampel tersebut digunakan juga untuk waktu sampel B. Dalam eksperimen, sampel yang paling baik adalah sampel A5. Ternyata sampel A5 merupakan sampel yang menggunakan waktu pemanasan lebih lama (180 s) dibandingkan sampel a1 A2, A3, dan A4. Hal tersebut dibuktikan ketika semua sampel A telah dipanaskan kemudian di sinar-uv. Di spektometer UV-vis terlihat jelas pendaran warna yang terbentuk pada tiap masing-masing sampel. Dapat terlihat jelas pada Gambar 7 pendaran warna yang keluar. Pendaran sampel A5 adalah kuning dan memiliki panjang gelombang sebesar 560-590 nm. Karena sampel A5 merupakan sampel yang paling baik dengan waktu pemanasan 180 s. Waktu tersebut digunakan untuk semua sampel B. Ketika sampel B dikeluarkan dari microwave belum terlihat ada perubahan pada larutan. Kemudian ditambahkan waktu lagi selama 60 s. Setelah itu dilihat, ternyata terdapat perubahan pada sampel B1 dan B2 (larutan berubah warna dari bening ke coklat pekat), sampel B3, B4, dan B5 tidak ada perubahan yang mencolok seperti B1 dan B2. Warna B1 dan B2 terlihat pada Gambar 8 lebih gelap dibandingkan sampel B lainnya, karena karbon yang terbentuk terlalu banyak sehingga jika ingin di sinar- UV harus dilarutkan dengan aquades agar dapat berpendar. Pada saat disinari-uv, sampel B1 memiliki kekentalan warna pendaran yang lebih tebal dibandingkan B2, kekentalan pendaran tersebut terdapat pada bagian permukaan larutan. Pendaran warna yang terlihat Gambar 9 adalah hijau, dengan besar panjang gelombang 480-560 nm. Aplikasi karbon nanodot dalam dunia teknologi adalah pencahayaan dan sel surya. Selain itu juga dapat diaplikasikan dibidang Ridwan Setiawan 6
biologi, seperti proses pertumbuhan tanaman. Serta dalam bidang pertanian dapat dimanfaatkan untuk menghindari bahaya limbah untuk tumbuhan. 4. Kesimpulan Dari eksperimen dapat disimpulkan bahwa pada sampe A dengan variasi waktu, dihasilkan larutan karbon nanodot (CNDs) yang paling baik adalah sampel A5 dengan lama waktu 180 s dan perbandingan berat dari asam sitrat (C6H8O7) dan urea ((NH2)2CO) atau konsentrasi sama, yaitu sebesar 0,015 gr : 3,0 gr. Waktu pada sampel A5 digunakan kembali dan ditambah waktu 60 s untuk sampel B, agar terlihat perubahan warna yang terjadi pada B1 dan B2. Pada sampel tersebut karbon yang terbentuk sangat banyak, karena warna sampel B1 dan B2 adalah coklat pekat. Sampel A memiliki panjang gelombang 560-590 nm (kuning) dan sampel B sebesar 480-560 nm (hijau). DAFTAR PUSTAKA Abdullah, Mikrajuddin. Pengantar Nanosains, Bandung, ITB Press. Brams Dwandaru, W.S., (2013) : Aplikasi Nanosains Dalam Berbagai Bidang Kehidupan : Nanoteknologi, Laboratorium Fisika Teori dan Komputasi, Jurusan Pendidikan Fisika, FMIPA UNY Karanmalang, Yogyakarta. Nanotechnology, Wikipedia. www.wikipedia.com diunduh 10 November 2014 No Name (2012) : Perhitungan Nilai Eigen Energi Dari Quantum Dots Dengan Menggunakan Pendekatan Kerpatan Lokal, Solo, Indonesia, Journal of ITS Undergraduate. http://digilib.its.ac.id/public/its- Undergraduate-15034-1104100021- Chapter1.pdf Download pada 20 November 2014 Unraveling the Physics of DNA s Double Helix, Science Daily. www.sciencedaily.com diunduh 20 November 2014. Ridwan Setiawan 7