PENGUKURAN CUPLIKAN ST ANDAR PS-PEP DENGAN SANS

A.

Ikram, N. Suparno, Junaedi, Sunardi, Setiawan, Suyatno

ABSTRAK

PENGUKURAN CUPLIKAN STANDAR PS.PEP DENGAN SANS. Meskipun tidak banyak, saat ini terdapat berbagai peralatan SANSyang masing-masing dapat dioperasikan untuk berbagai rentang momentum transfer berbeda. Selain memungkinkan pengukuran berbagaifenomena dengan karakteristik berbeda, hal ini juga menuntut pengkalibrasian peralatan pad a tiap rentang momentum transfer. Telah dilakukanpengukuran cuplikan standar PS-PEP menggunakan peralatan SANS yang belum dikalibrasi di JAERI. Pengukuran ini dilakukan untukmengkalibrasi data momentum transfer yang diperoleh dengan peralatan SANS tersebut. Pembandingan hasil pengukuran dengan peralatanSANS yang telah dikalibrasi menunjukkan adanya perbedaan yang cukup berarti. Dari penelitian ini dapat disimpulkan bahwa pengkalibrasianperalatan SANS harus dilakukan secara rutin untuk tiap selang momentum transfer sehingga diperoleh hasil yang dapat dipertanggung jawabkan.

ABSTRACT

SANS MEASUREMENTS ON PS.PEP STANDARD SAMPLES. Eventhough there are not many SANS instruments existed today, eachof them can be operated for several different q-ranges. Besides their capabilities of exploring phenomena with different characteristic, these severaldifferent q-ranges also need several different standard samples to calibrate each q.range. Measurements on PS-PEP standard samples have beenconducted to calibrate the SANS-J machine in JAERI. The results showed some discrepancies from the measurements of the same machine withdifferent experimental set-up as well as of the calibrated SANS-U machine. This experiment suggests that calibration of any SANS machine,including the one in Serpong, is important and has to be done routinely for any related q-range so the reliability of the experimental data can bemaintained.

PENDAHULUAN

Hamburan neutron sudut kecil (SANS)merupakan teknik altematif untuk mengamati berbagaifenomena pacta bahan dengan ukuran puluhan sampairibuan angstrom, seperti presipitat misalnya. Kelebihanteknik ini terutama pacta daya tembus neutronnya yangbesar pacta hampir semua bahan sehingga penggunaancuplikan dalam bentuk bulk dapat dilaksanakan. SelaindaTi tidak diperlukannya penyiapan cuplikan yangmemerlukan keahlian tersendiri, penentuan ukuranpresipitat dengan teknik ini dapat memberikan hargarata-rata sebenamya daTi ukuran presipitat di dalam bulktersebut.

momentum transfer sehingga dapat mengamati berbagaiukuran fenomena. Kalibrasi peralatan dapat dilakukandengan mengkalibrasi setiap komponen tersebut. Karenahal ini akan banyak mengkonsumsi waktu dan tenaga,maka saat ini pacta berbagai peralatan SANS dilakukanpengkalibrasian secara menyeluruh denganmemanfaatkan cuplikan standar.

Pacta penelitian ini dilakukan pengamatan polahamburan neutron dari cuplikan standar PS-PEP yangmemberikan beberapa puncak hamburan. Mengingatteknik SANS ini merupakan teknik yang relatif barn diIndonesia, maka pada makalah ini latar belakang teorihamburan neutron sudut kecil disajikan untukmemberikan gambaran secara singkat mengenai prosespengambilan data hamburan tersebut.

Peralatan SANS yang acta di dunia saat inibiasanya terdiri dari berbagai komponen denganfungsinya masing-masing, antara lain monokromatoruntuk menyeleksi panjang gelombang yang ingindigunakan, kolimator untuk menjaga tingkat kolimasi(ke-paralel-an) berkas neutron yang sampai pactacuplikan serta detektor yang berfungsi menentukan posisineutron yang dihamburkan. Meskipun tidak banyakjumlahnya, peralatan yang acta saat ini di dunia masing-masingnya memiliki berbagai cakupan rentang

TEORISANS

Hamburan neutron sudut kecil muncul karenaadanya t1uktuasi kerapatan panjang hamburan padabahan [1]. Fluktuasi tersebut sebagai contoh dapatditimbulkan oleh munculnya rasa kedua (presipitat

~, 2g J~ 2000

1>~ I!,.f'--:!_'~ St l 1>5-1>EP ~ SANSA. '~. J/l/L.

misalnya) pada matriksnya. Sebagai konsekuensinyaapabila tidak terjadi fluktuasi maka intensitas hamburanneutron sudut kecilnya akan tidak bergantung pada suduthamburannya (flat). Tampang lintang SANS daripresipitat-presipitat yang terdistribusi secara acakdiberikan melalui ekspresi sebagai berikut :

melalui bagian linier dari kurva tersebut untuk kemudiandigunakan dalam mengevaluasi harga Rg dan G. Untukpresipitat dengan bentuk bola dan jarum, jari-jari danpanjang presipitat dapat diperoleh melalui persan; m (3)dan (4). Densitas dari presipitat yang dinyatakan dalamfraksi volume diperoleh melalui konstanta G. Daripersamaan (5) dengan diketahuinya harga-harga V p' Ndan t1p maka fraksi volume np dapat dihitung.~

NdLdo.

(I)=TATAKERJA

" /

dimana np adalah jumlah presipitat per satuan volume,sedangkan (v;) adalah kuadrat dari volume rata-ratasebuah presipitat, N adalah jumlah atom per satuanvolume daD (L\p) adalah perbedaan rata-rata rapatpanjang hamburan antara presipitat dan matriksnya, F(Q)adalah faktor bentuk yang menyatakan hamburan darisebuah presipitat dan tanda ( ) menyatakan harga rata-rata yang melingkupi berbagai ukuran dan orientasi daripresipitat. I(Q) menyatakan hamburan yang disebabkanoleh interface effect di antara presipitat-presipitattersebut.

Po/imer PS-PEPPolimer PS-PEP adalah polystyrene-block-

poly(ethylene-alt-propylene) yang didapat darihidrogenisasi polystyrene-block-polyisoprene denganderajat hidrogenisasi sebesar 99,4%. Pacta cuplikan initerdapat 1,33 x 10s molekul dengan rasio Mw/Mn = 1,26dan rasio styrene terhadap ethylene-alt-propylene adalah60/40 wtO/o.

Penyiapan Cup/ikanPolimer PS-PEP yang hendak diukur perlu

disiapkan sehingga dapat ditempatkan dalam wadahcuplikan SANS clan memberikan pola hamburan yangoptimal. Untuk itu perlu dilakukan pelarutan clanpengeringan sehingga diperoleh bentuk cuplikan yangsesuai. Pertama-tama polimer PS-PEP tersebut dilarutkandalam tolucn sehingga terbentuk larutan polimer 5 ~/o.Selanjutnya larutan ini dituangkan ke dalam petri dishyang beralas datar. Kemudian untuk pengeringan denganproses penguapan, petri dish tersebut diletakkan di atastatakan pada suatu ketinggian dalam sebuah bejana gelas.Bejana gelas tersebut ditutup dengan pelat gelas,sementara di dalarnnya diletakkan pula sebuah botolterbuka yang berisi toluen. Untuk menjaga lajupenguapan toluen, diletakkan sekerat foil aluminiumsehingga ada rongga antara bibir bejana gelas clan pelatgelas yang menutupinya. Penguapan lambat untukpengeringan cuplikan ini dilakukan pada suhu ruangselama 1 minggu.

Aproksimasi ini berlaku secara umum untuk QRs < 1.5,dimana Rg dikenal sebagai jari-jari girasi (jari-jariGuinier). Hubungan antara jari-jari girasi dengan jari-jaripresipitat dapat dinyatakan sebagai berikut [3]:

untuk presipitat berbentuk bola dengan jari-jari R, ,

(4) ;=90'

Untuk sistem dengan presipitat-presipitat yang terpisahcukup jauh antara satu dengan lainnya, faktor I(Q) padapersamaan (l) dapat diabaikan. Sehingga dengansubsitusi persamaan (2), persamaan (1) dapat ditulismenjadi :

_=0'

Through View

u

Rg dapat diperoleh melalui kurva logaritmik tampanglintang sebagai fungsi dari Q2, Menggunakan leastsquare fitting, kemiringan kurva dan harga konstantanya(perpotongan kurva dengan absisnya) dapat diperoleh

Edge View'"Perrnukaan Film

.r

Gambar1. Geometri konfigurasi Edge dan Through View

78 ~, 2fJ J~ 2000

Faktor bentuk di atas dapat didekati melalui [2]

untuk presipitat dengan bentuk jarum (needles)dengan panjang L, ,

p~ ~ ~ P5-PEP ~ SANSA.I~.m.

Polimer kering yang diperoleh pacta dasar petridish ditempatkan dalam oven vakum pacta suhu ruanguntuk dikeringkan lebih lanjut. Setelah beratnya tidakberubah, film polimer yang terbentuk dilepaskan daridasar petri dish dengan hati-hati. Oari cuplikan as-castini dibentuk dua jenis cuplikan. Cuplikan edge-viewdiperoleh dengan membuat potongan-potongan sebesarI mm x 20mm dan meletakkannya pacta sebuah kerangkaplastik. Sementara itu cuplikan through-view dibuat darisebuah potongan dengan ukuran 20mm x 20mm. GambarI menunjukkan skema pola hamburan sudut kecil yangakan diperoleh dari ke dua jenis cuplikan yang telahdisiapkan tersebut.

dari detektor dua dimensi. Tampak bahwa pola yangdiperoleh sudah menunjukkan ketepatan bentuk sepertiyang diharapkan, dimana cuplikan edge-viewmemberikan pola hamburan neutron yan~ an-isotropikdengan keteraturan pada bidang horizontal. Sementara itupola hamburan cuplikan through-view menampilkan polayang isotropik dengan cincin-cincin yang cukup tajam.

Pengukuran dengan SANSPengukuran dengan SANS ini dilakukan di

JAERI, Jepang menggunakan peralatan SANS-J dalarnrangka Workshop SANS di JAERI denganmemanfaatkan kerja sarna BAT AN-JAERI dalarn bidangharnburan neutron. Gambar skematik dari peralatanSANS-J diberikan pada garnbar 2. Peralatan SANS inimenggunakan sumber neutron dingin. Berkas neutrondimonokromatisasi menggunakan selektor kecepatanmekanik. Jarak antara cuplikan dan detektor (L) dipilihpada posisi 6 m. Dengan mengkombinasi harga L danpanjang gelombang neutron, A = 0,7 nm diperolehselang transfer momentum AQ = 0,04 -0,4 nm-l dimanaQ didetinisikan sebagai : Q = {47t sin (8/2)}/ A (8 =sudut hamburan ; A = panjang gelombang neutron).

Dengan pengarnbilan panjang gelombang yang besar ini,efek dari harnburan Bragg ganda dapat dihindari.Pemilihan harga AQ tersebut memungkinkan untukdiamatinya ukuran keteraturan berukuran mulai dari 15nm sarnpai 150 om. Berkas neutron yang terhamburdideteksi dengan position sensitive detector (PSD) dua-dimensi, yang berisi gas 3He, dengan jumlah elemen 128x 128. Uraian lengkap mengenai SANS-J ini telahdisajikan dalam makalah lain [4].

f I ;

~

SANS-JV2,261199

!

0.087 rnm ., I

f'.'"iii'-'2~

e~.-g;

SAMPLE 10M COLD~ ~ NEUTRON

L-I.5-IOM

COLLIMATORS VELOCITY SELECTORNEUTRON GUmES ~-85-30'10

T-75'1,

lOdes 2-dimPSD ).=0.7nm58 cm diameter 004 $ Q $ 040 (1/nm)

52mmx52mmresolution (175$ 2" IQ$ 157nm)

020, beam stopper

\.I ~ I~j

q [nm

Gambar 3. Pol a hamburan dari cuplikan Edge-View

Gambar pada bagian bawah menampilkan datasatu dimensi (kurva 1 vs Q) yang diperoleh dari data duadimensi di atasnya. Dari gambar 3 diperoleh indikasiadanya 4 puncak pada selang momentum transfer ~Q =

0,04 -0,4 nm-1 dan tiga puncak pertama berada padaposisi 0,087 nm-1 , 0,169 nm-1 dan 0,256 nm-l. Secararata-rata posisi ketiga puncak ini memberikan hargaposisi puncak pada (8,53 :i: 0,06) x 10-2 nm-1 yangberkorelasi denganjarak keteraturan sebesar 73,6 nm.

Gambar 2. Diagram skematik peralatan SANS-J, JAERI

HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil pengukuran dengan teknik harnburanneutron sudut kecil (SANS) ditunjukkan pada Garnbar 3clan 4 untuk kedua cuplikan standar PS-PEP, berturut-turut untuk edge-view clan throughview. Pada bagian ata~ke dua gambar itu disajikan data mentah yang diperoleh

79~I 2ft J~ 2000

p~ ~ ~ P5-PEP ~ SANSA.I~I~'

ini ditarnpilkan pada bagian bawah gambar 5 danmenjadi acuan dalam mengkalibrasi peralatan SANSlainnya, termasuk SANS-J di JAERI dan SANS-BA TANdi Serpong. Pada bagian atas Garnbar 5 disajikan basilpengukuran yang telah dilakukan dengan peralatanSANS-J dengan panjang gelombang dan posisi detektorberbeda (I.. = 0,524 nm dan L = 10 m) untuk cuplikan

standar PS-PEP yang sarna. Pengukuran denganperalatan SANS-J ini memberikan basil yang berbedapula yaitu posisi puncak pada 0,0824 nm-1 untukcuplikan edge-view dan 0,0732 nm-1 untuk cuplikanthrough-view [5]. Ketika pengukuran ini dilakukan,peralatan SANS-J belum dikalibrasi sehingga hasilnyatidak menggambarkan keadaan yang sebenamya. Tabel Imenampilkan. basil-basil pengukuran tersebut berikutprosentase kesenjangannya.

105

EE. 00>-C"

-04

00

qx [nm

o~

10

10.II)...'c::)

.cI-<V

cr

~'c:J

-e~:§:

103

10'

10'0.00 0.05 0.10 0.15

q (nm'1

0.20 0.25 0.30

co 0 , 02 O.J :14-1

q [nm ]

Gambar 4. Pols hamburan dari cuplikan Through-View

Sementara itu dari gambar pada bagian bawahGambar 4 diperoleh indikasi adanya 4 puncak dan duadiantaranya sangat kuat intensitasnya. Kedua puncak iniberada pada posisi 0,076 nm-l (puncak pertama) dan0,227 nm-l (puncak ketiga). Puncak kedua dan keempat,sebagaimana puncak keempat pada gambar 3, tidak dapatdigunakan mengingat lebar dan landainya puncak-puncaktersebut sehingga ketidak-pastian terhadap posisi puncakterse but sangat besar. Dari posisi puncak pertama danketiga tersebut diperoleh harga rata-rata posisi puncakpada cuplikan through-view ini sebesar (7,575 :i: 0,011)10-2 nm-l yang berkorelasi dengan jarak keteraturansebesar 82,9 nm.

Hasil ini cukup berbeda dibandingkan denganbasil standar yang diperoleh dari pengukuran denganperalatan SANS-U yang telah dikalibrasi untukpengukuran dengan L = 4 m dan A = 0,7 nm. Untuk

cuplikan edge-view didapat posisi puncak pada 0,0762nm-1 dan 0,071 nm-1 untuk cuplikan through-view. Hasil

Gambar 5. Hasil pengukuran cuplikan PS-PEP denganSANS-J yang tidak terkalibrasi (atas) dan

SANS-U yang terkalibrasi (bawah)

~I 2g J~ 200080

p~ L',~~£~ ~ P5.Pep ~ SANS'A..r~,J./IJI..

dengan peralatan dan cuplikan. yang sarna dengan set-upberbeda [5] juga rnernberikan hasil yang berbeda. Hal inirnernberikan konfirmasi positif bahwa peralatan SANS,termasuk SANS-BA TAN, rnernerlukan kalibrasi yangteratur dan tertentu untuk setiap set-up maupun rentangmomentum transfer yang berbeda. Dari lamanya waktupengukuran kedua cuplikan standar ini dapat puladisimpulkan bahwa keteraturan yang ada pada cuplikanedge-view disamping memberikan pola hamburan padabidang horizontal juga menghasilkan intensitas yangjauh Icbih kuat.

Kurva.kurva pada bagian bawah gambar 3 daD 4juga menunjukkan bahwa untuk mendapatkan intensitasyang sebanding, cuplikan through-view memerlukanwaktu pengumpulan data sampai 60 menit sementaracuplikan edge~view hanya 5 menit (kurang dari 10%nya). Hal ini menunjukkan bahwa keteraturan yang adapada cuplikan edge-view telah berkontribusi padakuatnya hamburan neutron sehingga memberikanintensitas hamburan 10 kali lebih kuat.

rebel 1. Posisi puncak hamburan neutron dari cuplikanstander PS.PEP den prosentase kesenjangannya UCAP AN TERIMA KASIH

SANS-U(terkalibrasi)

SANSPenulis menyampaikan rasa terima kasih kepada

Program Kerjasama Bilateral BA T AN-JAERI yangmemungkinkan untuk pengambilan data SANS di JAERIdan kepada AD Puspitasari dan Yatno yang telahmembantu pengetikan makalah ini.

Cuplikan L=6m.A~O,7 nm

L= 10m, I

-0,524 n~ [5)!L-4m,

i. = 0,7 nm

Edge- view 0,0853 nm"(1.2%)

0,07575 nm(6,7%)

0,0824 nm"(8,1%)

0,0732 nm(3,1%)

0,0762 nm

Through- view 0,0710 nm DAFTARPUSTAKA

[1]. L.A. FEIGIN, et.al, Structure Analysis by SAXS andSANS, Plenum Press, London (1987)

[2]. A.C.R. GUINIER, A cad. Sci., Paris (1937), 204,1115

[3]. P. PIZZI, et.al, J. Appl. Cryst., (1974), 7, 270[4]. J.I. SUZUKI, JAERI NSL Report, (1992)[5]. Y. HASEGAWA, komunikasi pribadi.

KESIMPULAN

Hasil pengukuran cuplikan standar PS-PEPdengan peralatan SANS-] yang belum dikalibrasimenunjukkan perbedaan yang cukup berarti. Pengukuran

81~, 2~ J~ 2000