Ujian Tengah Semester nano.docx
-
Upload
egi-yuliora -
Category
Documents
-
view
255 -
download
0
Transcript of Ujian Tengah Semester nano.docx
-
7/25/2019 Ujian Tengah Semester nano.docx
1/47
Ujian Tengah Semester (UTS)
Fisika Material dan Divais Nano
ZERO-D MENS ON!"
N!NOSTRU#TURES$ N!NO%!RT #"ES
E& 'U" OR!*+ ,
%RO&R!M STUD F S !
F! U"T!S M!TEM!T ! D!N "MU %EN&ET!.U!N !"!M
NST TUT TE NO"O& /!NDUN&
/!NDUN&0 *,
1
-
7/25/2019 Ujian Tengah Semester nano.docx
2/47
%REF!#E
Puji syukur penulis ucapkan kehadirat Allah SWT oleh karena izin-Nya penulis
dapat menyelesaikan makalah ini yang berjudul 1ZERO-D MENS ON!"
N!NOSTRU#TURES$ N!NO%!RT #"ES2 yang mana dapat terselesaikan dengan
baik.
Dengan terselenggaranya makalah ini penulis juga mengucapkan terimakasih
kepada !apak Pro". #hairurrijal selaku Dosen pengampu yang senantiasa memberikan
ide bagi penulis sehingga mambantu atas ter$ujudnya makalah ini.
Penulis telah berusaha semaksimal mungkin menyusun makalah dengan baik
namun penulis juga menyadari sepenuhnya dalam penulisan makalah ini jauh dari
kesempurnaan. %leh karena itu penulis menyambut baik kritik dan saran yang
membangun dari pembaca demi kesempurnaan makalah ini semoga makalah ini
berman"aat menambah ilmu serta $a$asan bagi semua pembaca.
!andung %ktober &'()
Penulis
2
-
7/25/2019 Ujian Tengah Semester nano.docx
3/47
#ONTENTS
%REF!#E333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333
#ONTENTS3333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333
#.!%TER *3 NTRODU#T ON3333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333
#.!%TER 3 ZERO-D MENS ON!" N!NOSTRU#TURES$
N!NO%!RT #"ES333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333
**.( *ntroduction........................................................................................................ .()
**.& Nanoparticles through homogeneous nukleation................................................&'
**.&.( +undamentals o" homogeneous nucleation.............................................&'
**.&.& Subse,uent gro$th o" nuclei...................................................................&(
**.&.&.( ro$th controlled by di"ussion............................................... ...&
**.&.&.& ro$th controlled by sur"ace process........................................&)
**.&. Synthesis o" metallic nanoparticles.........................................................&/
**.&. .( *n"luences o" reduction reagents.................................................&/
**.&. .& *n"luences by other "actors.........................................................&0
**.&. . *n"luences o" polymer stabilizer.................................................&1
**.&.2 Synthesis o" semiconductor nanoparticles..............................................&1
**.&.) Synthesis o" o3ide nanoparticles.............................................................&4
**.&.).( *ntroduction to sol-gel procesing................................................ '
**.&.).& +orced hydrolysis....................................................................... (
**.&.). 5ontrolled release o" ions......................................................... .. &
**.&./ 6apor phase reactions.............................................................................. &
**.&.0 Solid state phase segregation.................................................................. &**. Nanoparticles through heterogeneous nucleation................................................ )
**. .( +undamentals o" heterogeneous nucleation............................................ /
**. .& Synthesis o" nanoparticles....................................................................... /
**.2 #inetically con"ined synthesis o" nanoparticles.................................................. 0
**.2.( Synthesis inside micelles or using microemulsion................................. /
**.2.& Aerosol Syntesis...................................................................................... 0
**.2. ro$th termination................................................................................. 1
3
-
7/25/2019 Ujian Tengah Semester nano.docx
4/47
**.2.2 Spray pyrolysis........................................................................................ 1
**.2.) Template-based synthesis........................................................................ 4
**.) 7pita3ial core-shell nanoparticles........................................................................2'
REFEREN#ES33333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333
4
-
7/25/2019 Ujian Tengah Semester nano.docx
5/47
#.!%TER
NTRODU#T ON
8aterial nano merupakan material yang mempunyai ukuran dalam skala
nanometer yaitu berkisar antara (-('' nm. !anyak pihak tertarik dengan nanomaterial
karena dengan ukuran nano si"at material lebih menguntungkan dari pada ukuran
besar. 9ekayasa material nanopartikel pada dasarnya adalah rekayasa pengendalian
ukuran bentuk dan mor"ologi serta penataan material pada ukuran nanometer yang
akan menentukan karakteristik nanopartikel hasil sintesis.
arakteristik dari nanomaterial $
a3 E5ek 6erm7kaan
#arakteristik kunci dari nanomaterial yang pertama adalah jumlah atom
permukaan yang signi"ikan. Semakin kecil ukuran benda maka permukaan atom
penyusun benda tersebut yang terekspos dipermukaan benda akan memiliki "raksi yang
semakin besar. 8isalkan benda berbentuk kubus dengan panjang sisi : terdiri dari
kubus ; kubus kecil dengan panjang sisi d sebesar (< nm. Semakin kecil kubus maka
semakin besar "raksi atom penyusun yang terekspos seperti dalam hasil hitungan tabel
(.( diba$ah ini.
Tabel (.( Perbandingan ukuran nanomaterial =>?
8isalkan kita akan memotong sebuah kubus menjadi dua. #ita asumsikan Nb adalah
jumlah ikatan kimia yang terlepas dan e adalah kekuatan ikatan kimia sedangkan p
adalah jumlah atom per luas permukaan baru maka energi permukaan dapat dinyatakan
sebagai berikut@
5
-
7/25/2019 Ujian Tengah Semester nano.docx
6/47
ika benda tersusun dari kristal dengan struktur +55 maka bisa kita hitung energi
permukaan pada masaing ; masing bidang permukaannya. ambar diba$ah dapat
digunakan sebagai ilustrasi hitungan tersebut.
ambar (.( Struktur +55 =>?
6
-
7/25/2019 Ujian Tengah Semester nano.docx
7/47
Dari ambar (.( diatas maka dapat disimpulkan jika bidang B(((C dari +55
merupakan permukaan yang paling stabil karena mengandung energi permukaan yang
paling kecil. al ini menyebabkan permukaan dari bahan kristalin nanopartikel
cenderung tersusun dari bidang B(((C seperti pada ambar (.& berupa gambar T78
dari nanopartikel emas yang membentuk "aset dengan bidang E(((F.
ambar (.& asil T78 nanopartikel emas =>?
Secara umum dapat disimpulkan si"at dari nanomaterial yang berkaitan dengan atom
permukaan adalah sebagai berikut@
(. Nanomaterial memiliki luas permukaan yang besar serta jumlah atom dipermukaan
yang besar.
&. 8emiliki energi permukaan dan tegangan permukaan yang tinggi.
. Permukaan dari partikel kristalin dengan ukuran nano cenderung membentuk "aset
2. !idang "aset cenderung tersusun dari bidang yang paling rapat.). Permukaan bersi"at sangat reakti" dan mudah teroksidasi.
/. Perhatian perlu diberikan ketika menyimpan logam partikel nano karena bisa terjadi
ledakan.
83 E5ek Uk7ran
Dalam skala nanometer si"at baru dan "enomena unik dari bahan akan muncul.
al ini diakibatkan karena ukuran dari nanomaterial menjadi komparabel dengan
7
-
7/25/2019 Ujian Tengah Semester nano.docx
8/47
banyak parameter "isis seperti ukuran gelombang kuantum mean free path ukuran
koherensi dan domain dimensi yang kesemuanya menentukan si"at ; si"at dari material.
Dalam ilustrasi diba$ah ini digambarkan perubahan suhu leleh dari logam emas yang
merupakan "ungsi dari ukuran partikelnya.
ambar (. perubahan suhu leleh dari logam emas terhadap ukuran partikelnya.
=>?
93 E5ek 7ant7m
7"ek kuantum dapat dijelaskan dengan Teori #ubo yang dideskripsikan dengan
persamaan berikut.
#etika perbedaan energi =delta 7? lebih besar dari nilai k.T =maksimal internal energi
dari sistem? maka akan banyak si"at yang ada pada bulk material yang hilang dan
digantikan dengan si"at yang unik.
8
-
7/25/2019 Ujian Tengah Semester nano.docx
9/47
ambar (.2 :eGer energi elektron =>?
Pita energi yang kontinyu tergantikan oleh energi leGel yang terpisah jika ukuran
partikel mendekati radius !ohr dari elektron dalam padatan hal ini dikenal dengan e"ek kuantum. Hntuk nanomaterial energi bandgap sangat sensiti" terhadap mor"ologinya
=ukuran bentuk de"ek? dan dari distribusi komposisinya. Diba$ah ini diilustrasikan
perubahan si"at optikal dari emas disebabkan perubahan ukuran.
ambar (.) Perubahan si"at optik emas dari perubahan ukuran =>?
!lasan 6entingn:a nanomaterial $
8emiliki kemampuan untuk memanipulasi mengontrol dan mensintesa material
pada leGel atom dan molekul.
8ampu menyediakan a"initas kapasitas dan selekti"itas tingkat tinggi dari suatu
material dikarenakan si"at kimia "isika dan biologi yang unik.
9
-
7/25/2019 Ujian Tengah Semester nano.docx
10/47
8emiliki sur"ace area yang besar sehingga dapat meningkatkan reakti"itas kimia
dan meningkatkan kekuatan si"at elektronik.
Sintesis nanomaterial ; %roses 6em8ent7kan nanomaterial $
Top do$n merupakan pembuatan struktur yang kecil dari material yang
berukuran besar.
!ottom up merupakan penggabungan atom-atom atau molekul-molekul menjadi
partikel yang berukuran lebih besar.
lasi5ikasi nanomaterial $
Nol dimensi
contoh @ nanopartikel =oksida logam semikonduktor "ullerenes?
Satu dimensi
contoh @ nanotubes nanorods nano$ires
Dua dimensi
contoh @ thin "ilms =multilayer monolayer sel"-assembled mesoporous?
Tiga dimensi
contoh @ nanokomposit nanograined mikroporous mesoporous interkalasi organi-
anorganik hybrids.
Si5at nanomaterial $
(. Si"at elektrik
Nanomaterial mempunyai energi lebih besar dari pada material ukuran biasa
karena memiliki sur"ace area yang besar. Energy band secara bertahap berubah terhadap
orbital molekul. :ogam ukuran besar mengikuti hukum %hm. Pada logam ukuran nano
10
-
7/25/2019 Ujian Tengah Semester nano.docx
11/47
harus memiliki masukan elektrostatik =menggambarkan jumlah energi elektron? 7el I
e&
-
7/25/2019 Ujian Tengah Semester nano.docx
12/47
). Si"at kimia
8erupakan "aktor yang penting untuk aplikasi kimia nanomaterial yaitu
penambahan sur"ace area yang mana akan meningkatkan aktiGitas kimia dari material
tersebut.
5ontoh aplikasi @ teknologi "uel cell merupakan aplikasi yang penting dari penggunaan
logam nanopartikel. Dimana dalam "uel cell digunakan logam Pt dan Pt-9u.
Pada chapter berikutnya akan dibahas secara terperinci mengenai nanostruktur '
dimensi.
#.!%TER 3 ZERO-D MENS ON!" N!NOSTRU#TURES$N!NO%!RT #"ES
3* ntrod79tion
Nanoteknologi berkaitan dengan struktur yang kecil atau material berukuran
kecilyang memiliki dimensi sekitar satu sampai ratusan nanometer. Satu
nanometer =nm? adalah satu miliar meter atau dapat ditulis (' -4 m. ambar &.(
menunjukan sebagian dari da"tar nanostruktur berdimensi nol.
12
-
7/25/2019 Ujian Tengah Semester nano.docx
13/47
ambar &.( 5ontoh dari nanostruktur atau nanomaterial '-dimensi E&F
Satu nanometer dapat diaproksimasikan sebagai panjang yang setara dengan ('
hidrogen atau ) atom silikon dalam posisi sejajar atau berbaris. 8aterial berukuran
mikrometer sebagian besar menunjukkan si"at "isis yang sama dengan material
berukuran besar atau bulk. Sedangkan material berukuran nanometer dapat
menunjukkan si"at "isis yang berbeda dengan material bulk karena pada skala
nanometer terjadi transisi dari ukuran atom atau melekul menjadi ukuran yang lebih
besar seperti bulk. !eberapa contoh perubahan si"at "isis material diantaranya adalah
jika ukuran materialnya menjadi nanometer maka mengakibatkan menurunnya titik
leleh material berbentuk kristalJ hilangnya si"at listrik dan magnetnya material
"erromagnetik atau "erroelektrikJ semikonduktor berbentuk bulk berubah menjadi
isolator.
Struktur kristal yang stabil pada suhu tinggi stabil pada suhu yang jauh lebih
rendah pada ukuran nano "erroelectrics dan kemagnetannya ketika ketika material
berada pada ukuran nano. Semikonduktor bulk akan menjadi isolator ketika ukurannya
kecil =skala nanometer?. 8eskipun bulk emas tidak memiliki si"at sebagai katalis tetapi
nanokristal emas dapat menjadi katalis yang baik pada suhu rendah.
Pada umumnya nanoteknologi dapat dide"enisikan sebagai teknologi desain
"abrikasi atau produksi dan penerapan struktur dan material nano. Nanoteknologi juga
membahas pengertian mendasar dari si"at "isis dan "enomena dari nanomaterial dan
13
-
7/25/2019 Ujian Tengah Semester nano.docx
14/47
nanostruktur. 8empelajari kaitan dasar atara si"at "isis "enomena dan dimensi bahan
pada skala nanometer atau disebut juga dengan nanosains. !erikut adalah teknik dalam
produksi material berukuran nano yang dikelompokkan berdasarkan media
penumbuhannya antara lain @
=(?. 6apor phase gro$th = penumbuhan dengan "ase uap? termasuk reaksi laser
untuk sintesis nanopartikel dan Atomic :ayer Deposition =A:D? untuk deposisi "ilm
tipis.
=&?. :i,uis phase gro$th =penumbuhan dengan "ase cair? termasuk proses
koloid untuk "ormasi nanopartikel sel" assembly o" monolayers.
= ?. Solid phase "ormation =penumbuhan dengan "ase padat? termasuk "ase
segregasi untuk membuat pemisahan "ase untuk membuat partikel logam dalam matriks
kaca atau polimerisasi dengan induksi "oton untuk memproduksi kristal "otonik tiga
dimensi.
=2?. ybrid gro$th =penumbuhan hibrida
-
7/25/2019 Ujian Tengah Semester nano.docx
15/47
Nukleasi homogen adalah nukleasi yang terjadi di atas material yang sama. Dalam
sintesis nanomaterial pendekatan !ottom-up lebih populer untuk digunakan
contohnya sintesis nanomaterial dengan nukleasi homogen dari cairan atau uap atau
dengan nukleasi heterogen di atas substrat. Nanopartikel dapat dinukleasi secara
homogen dalam tiga media yaitu cair gas dan padat
Nanomaterial dapat disintesis dengan@
8embatasi reaksi kimia
Nukleasi
Proses penumbuhan di ruang yang sangat kecilseperti pada misel
8etode sintesis nanomaterial dikategorikan menjadi dua kelompok besar yakni
Pendekatan kesetimbangan termodinamika
Pendekatan kinetik. =pembentukan nanopartikel diperoleh dengan baik
membatasi jumlah precursor yang tesedia ataupun membatasi poses di dalam
ruang terbatas?
Pada pendekatan termodinamika proses sintesis terdiri dari
Pembentukan supersaturasi
Nukleasi =pembentukan a$al dari "asa termodinamika baru atau struktur baru Giasel"-assembly?
Penumbuhan lanjut.
Dalam sintesis nanopartikel tidak hanya ukuran yang menjadi acuan tetapi kita juga
harus mengontrol beberapa hal seperti @
Semua partikelnya memiliki ukuran yang identik
!entuk dan mor"ologi yang identik
Struktur kristal dan komposisi kimia yang identik 8onodispersed atau tidak menggumpal.
Disini akan dibahas tentang sistesis nanopartikel penyebaran searah yang memiliki
ukuran yang seragam.
3 3* F7ndamentals o5 homogeneo7s n79leation (dasar-dasar n7kleasi homogen)
#onsentrasi zat sangat jenuh =supersaturasi?
Nukleasi terjadi secara spontan
15
-
7/25/2019 Ujian Tengah Semester nano.docx
16/47
Pembentukan "ase
Nukleasi homogen terjadi secara spontan dari nukleasi homogen ini akan
terbentuk "ase baru dimana pembentukan "ase yang baru ini terjadi ketika konsentrasi
zat terlarut dalam pelarut melebihi kelarutan keseimbangannya.. Hntuk menghasilkan
"ase baru juga memerlukan energi yang diakibatkan oleh tekanan uap yang lebih tinggi.
7nergi ini disebut dengan energi bebas ibbs.
7nergi ibbs adalah energi yang dibutuhkan untuk merubah bentuk "asa ke "asa
lain jika energi bebas ibbs tinggi maka sulit untuk merubah "asa penurunan suhu di
ba$ah titik trans"ormasi "ase 7nergi ini akan berkurang dengan memisahkan zat terlarut
dari larutan agar terbentuk padatan dan larutannya maka keadaannya harus super jenuh
=supersaturasi? jika tidak terjadi supersaturasi maka tidak akan diperoleh padatan atau
nukleasinya. Penurunan energi bebas ibbs dari cair ke padat itu disebut proses
nukleasi dan tumbuh. Sesuatu yang stabil memiliki energi bebas ibbs yang sangat
kecil Perubahan energi bebas gibbs per satuan Golume G V dimana G V
bergantung pada konsentrasi zat terlarut dapat dilihat pada persamaan =&.(? berikut@
G V = kT
ln( C C 0)= kT ln (1+ ) =&.(?
Dengan
5 I #onsentrasi zat terlarut
5 ' I #onsentrasi setimbang larutan
# I #onstanta !oltzmann =( 1 3 (' -& mg s - -(
T I Temperatur =#?
K I 6olume atom
#etika
5 L 5' maka G V bernilai negati" yang artinya nukleasi terjadi secara
spontan =larutan super jenuh?
5 I 5' maka M I ' dan G V = 0
artinya tikan akan terjadi perubahan "asa
dari larutan ke padat =tidak akan tumbuh nukleasi?.
16
-
7/25/2019 Ujian Tengah Semester nano.docx
17/47
DimanaC C 0
= = indekssupersaturasi
Sehingga M IC C 0
C 0
ika nukleasi terjadi secara spontan maka didapatkan perubahan potensial kimia
terhadap perubahan Golume O 6 namun energi ini tidak seimbang dengan penetapan
energi permukaan yang disertai dengan pembentukan "ase baru hal ini mengakibatkan
peningkatan energi permukaan O s. Perubahan total energi dari potensial kimia Golume
dan permukaan diberikan oleh pembentukan inti.
G = V + s=&.&?
dengan
energi permukaan persatuanvolume
V =43
r 2 G V
energi permukaan persatuan luas
s= r2
Dari gambar diba$ah dapat dilihat gra"ik hubungan potensial kimia Golume dan
permukaan.
ambar &.( ubungan potensial kimia Golume potensial kimia permukaan dan energi
bebas
Dari ambar &.& dapat dilihat@
17
-
7/25/2019 Ujian Tengah Semester nano.docx
18/47
7nergi permukaan =naik lebih cepat dibandingkan Golume karena permukaan r &
dan Golume r
7nergi Golume bernilai negati"
r kritis =r >? merupakan jari-jari minimum dari suatu nuklei yang bisa terbentuk
dari suatu nanopartikel r > diperoleh dengan penurunan suhu.
ika r > r nuklei maka nuklei tidak ada =larut dalam larutan?
ika r nuklei L r > maka nuklei itu stabil dan membesar
C e merupakankonsentrasi ekstrim
Dari gra"ik dapat dengan mudah kita lihat bah$a inti baru yang stabil terbentuk jika
jari-jari-jarinya melebihi ukuran jari-jari kritis =r>?. Nukleus yang jari-jari lebih kecil
dari r> akan larut ke dalam larutan hal ini bertujuan untuk mengurangi energi bebas
secara keseluruhan sedangkan jari-jari inti yang lebih besar dari r> akan menghasilkan
inti yang stabil dan terus tumbuh lebih besar. Pada ukuran kritis r I r> dG /dr = 0
dengan demikian kita dapat mende"enisikan ukuran jari-jari kritis =r>? dan energi kritis
= >? adalah
r
= 2 G V =&. ?
Pembuktian Persamaan &.
G = 43
r 2 G V + r2
Saar r I r >
d Gdr
= 0
d G
dr I4 r 2 G V +8 r
' I 4 r2 G V +8 r
- 8 r = 4 r2 G V
- 8 = 4 r G V
18
-
7/25/2019 Ujian Tengah Semester nano.docx
19/47
r I 2 G V
r > I 2 G V
G = 16 (3 G V )2 =&.2?
G
merupakan energi yang mengahalangi proses nukleasi dimana energi ini harus
diatasi dengan segera. #emudian r> ukuran minimum dari jari-jari inti bulat yang stabil.
Persamaan &.( menunjukkan bah$a G V dapat meningkat secara signi"ikan
dengan meningkatkan supersaturasi =M? untuk sistem tertentu. ambar .&
membandingkan r kritis dan energi bebas kritis dari tiga inti dengan nilai yang berbeda
dari supersaturasinya dimana peningkatan ini sebanding dengan penurunan suhu. Suhu
juga dapat mempengaruhi energi permukaan.
ambar &. pengaruh temperature terhadap ukuran kritis pada tiga inti
T( L T untuk memperoleh r > besar dibutuhkan T yang besar
ika r maka T
:aju nukleasi per satuan Golume dan per satuan $aktu =9 N? sebanding dengan
=i? probabilitas P bah$a "luktuasi termodinamika energi bebas kritis =A >? =ii?
jumlah pertumbuhan spesies per satuan Golume =n? dan =iii? "rekuensi berhasil
melompati pertumbuhan spesies =Q? sehingga laju nukleasi dapat ditulis@
19
-
7/25/2019 Ujian Tengah Semester nano.docx
20/47
R N = n ={C 0 kT 3 ! 3 " exp ( G
kT )=&.)?
dimana @
= exp ( G kT )dan
= kT 3 ! 3 "
Dengan
I Diameter spesies tumbuh
R I 6iskositas larutan
n I :aju nukleasi
P I Probabilitas nukleasi jika ( maka terjadi laju nukleasi terus menerus
Dari persamaan =&.)? dapat ditunjukkan bah$a konsentrasi a$alnya tinggi atau
supersaturasi Giskositas rendah dan energi hambatan kritis juga rendah sehingga
mendukung sejumlah besar pembentukan inti.
Hntuk mendapatkan nanopartikel yang monosize =satu ukuran< homogen? maka
sintesis inti harus terbentuk pada $aktu yang sama dengan demikian inti akan memiliki
keadaan yang sama sehingga akan menghasilkan ukuran yang sama pula. Dalam
prakteknya untuk mencapai nukleasi yang tajam konsentrasi pertumbuhan spesies
ditingkatkan spontan ke supersaturasi yang sangat tinggi dan kemudian dengan cepat
diba$a ke ba$ah konsentrasi minimum untuk nukleasi. Distribusi ukuran nanopartikel
dapat diubah dalam proses pertumbuhan berikutnya. Distribusi ukuran inti a$al dapat
meningkat atau menurun bergantung pada proses kinetik pertumbuhan berikutnya.
Pembentukan nanopartikel berukuran seragam dapat dicapai jika proses pertumbuhan
dikendalikan dengan tepat.
20
-
7/25/2019 Ujian Tengah Semester nano.docx
21/47
ambar &.2 Skematik ilustrasi proses nukleasi dan penumbuhan lanjut.
ambar &.2 menggambarkan proses nukleasi dan pertumbuhan lanjutan. #etika
konsentrasi zat terlarut meningkat sebagai "ungsi $aktu tidak aka nada nukleasi yang
terbentuk bahkan di atas kesetimbangan larutan. Nukleasi hanya muncul ketika
supersaturasi mencapai suatu nilai tertentu di atas kelarutannya yang berkaitan dengan
energi peenghalang dari pembentukan inti atom. Setelah nukleasi a$al berlangsung
konsentrasi atau supersaturasi dari spesies yang tumbuh menurun dan mengurangi
energi bebas ibbs. #etika konsentrasi menurun diba$ah konsentrasi spesi"ik ini maka
tidak akan ada lagi inti atom yang terbentuk dimana penumbuhan akan diproses sampai
konsentrasi spesies yang ditumbuhkan telah mencapai konsentrasi yang setimbang.
3 3 S78se
-
7/25/2019 Ujian Tengah Semester nano.docx
22/47
&. Penumbuhan yang dikontrol oleh proses permukaan
#etika di"usi dari spesies yang ditumbuhkan dari bulk ke permukaan cukup
cepat maka laju pertumbuhan akan dikontrol oleh proses permukaan. Ada dua
mekanisme proses permukaan yakni penumbuhan mononuklir dan
penumbuhan polinuklir.
3 3 3* &ro=th 9ontrolled 8: di57ssion (6en7m87han :ang dikontrol oleh di57si)
ambar &.) *lustrasi penumbuhan yang dikontrol di"usi
Penumbuhan yang dikontrol oleh di"usi terjadi jika konsentrasi penumbuhan
berkurang diba$ah konsentrasi minimum nukleasi. al ini akan menghasilkan laju pertumbuhan spesies dalam bentuk
drdt
= # (C C s)V mr =&./?
Dengan
D I #oe"isien di"usi
5 I #onsentrasi bulk supersaturasi
C s I #onsentrasi permukaan dari partikel padat
V m I 6olume molar inti
r I jari-jari inti bola
ika persamaan di atas kita pecahkan dengan mengasumsikan ukuran a$al inti r' dan
perubahan konsentrasi bulk diabaikan maka@
r2 = 2 # (C C s)V m t + r 0 2 ataur 2 = k # t + r 0 2 =&.0?
22
-
7/25/2019 Ujian Tengah Semester nano.docx
23/47
ika dua partikel memiliki jari-jari a$al yang berbeda dan penurunan perbedaan
jari-jari dengan meningkatnya $aktu atau penumbuhan partikel yang sangat cepat maka
dengan mengkombinasikannya dengan persamaan =&.0? akan diperoleh bentuk@
$r =r 0 $r 0
r =
r 0 $r 0 k # t +r 02 =&.1?
persamaan di atas menunjukkan bah$a perbedaan radius menurun dengan
meningkatnya radius nuklir dan $aktu penumbuhan terus-menerus. Penumbuhan yang
dikontrol di"usi memberikan pembentukan ukuran partikel seragam =homogen?.
3 3 3 &ro=th 9ontrolled 8: s7r5a9e 6ro9ess (%en7m87han :ang dikontrol oleh
6roses 6erm7kaan)
ambar &.) *lustrasi penumbuhan yang dikontrol permukaan =penmbahan besar nuklei
dari penambahan luas permukaan?
:aju pertumbuhan sebanding dengan luas permukaan
Dalam proses permukaan terdapat dua mekanisme yaitu@
Pertumbuhan mononuklir =pertumbuhan diproses dari lapisan ke lapisan spesies
pertumbuhan yang dimasukkan ke dalam satu lapisan dan hasil untuk lapisan
lain hanya setelah pertumbuhan lapisan sebelumnya selesai? Penumbuhan polinuklir
Tingkat penumbuhan didapat dengan memecahkan persamaan luas permukaan@
drdt
= k m r2
1r
= 1r 0
k mt
kenaikan perbedaan jari-jari dengan kenaikan jari-jari inti@
23
-
7/25/2019 Ujian Tengah Semester nano.docx
24/47
$r = r 2 $r 0r 0
2 = $r0
(1 k mr 0 t )2 =&.('?
Penumbuhan polinuklir terjadi ketika konsentrasi permukaan sangat tinggi
karena proses permukaan sangat cepat maka hasil penumbuhan lapisan kedua telah
selsai sebelum penumbuhan lapisan pertama selesai. Tingkat penumbuhan partikel
bergantung pada ukuran dan $aktu penumbuhannya.
drdt
= k p =&.((?
#arena k p hanya bergantung pada suhu maka partikel tumbuh secara linear
dengan $aktu dan akan mendapatkan perbedaan radius relati" perbedaan radius relati" ini berbanding terbalik dengan jari-jari partikel dan $aktu pertumbuhan.
r = k p t +r 0 =&.(&?
dan
$r = $r 0 =&.( ?
Partikel dapat membesar dengan perbedaan jari-jari yang kecil jadi mekanisme
pertumbuhan ini juga baik untuk sintesis partikel monosize.ambar &. dan &.2 menggambarkan perbedaan radius sebagai "ungsi dari
ukuran partikel dan $aktu
8ekanisme penumbuhan yang dibahas yaitu@
Penumbuhan monolayer
Penumbuhan polinuklir
Penumbuhan yang dikontrol dengan di"usi.
al ini jelas bah$a mekanisme pertumbuhan dikontrol oleh di"usi diperlukan untuk sintesis partikel monosized oleh nukleasi homogen. #etika inti kecil mekanisme
pertumbuhan monolayer mungkin lebih mendominasi. Pada saat pertumbuhan
polinuklir menjadi utama sehingga inti menjadi lebih besar. Di"usi lebih dominan untuk
penumbuhan partikel yang relati" besar. 8ekanisme penumbuhan yang berbeda dapat
menjadi dominan ketika kondisi penumbuhan yang menguntungkan ditetapkan. Sebagai
contoh ketika pasokan pertumbuhan spesies sangat lambat dikarenakan reaksi kimia
24
-
7/25/2019 Ujian Tengah Semester nano.docx
25/47
yang lambat pertumbuhan inti kemungkinan besar akan dominan yang dikontrol oleh
di"usi.
ambar &.0 *lustrasi perbedaan jari-jari terhadap "ungsi jari-jari partikel
ambar &.1 *lustrasi perbedaan jari-jari terhadap "ungsi $aktu
Ada beberapa cara untuk mencapai keterbatasan penumbuhan di"usi@
#etika konsentrasi pertumbuhan spesies dijaga sangat rendah jarak di"usi akan
sangat besar dan akibatnya di"usi bisa menjadi langkah penghambat.
8eningkatkan Giskositas larutan
Pembentukan nanopartikel yang tersebar tersebar dalam pelarut memiliki beberapa
keuntungan dan kemudahan yaitu@
stabilisasi nanopartikel dari aglomerasi
ekstraksi nanopartikel dari pelarut
modi"ikasi permukaan dan aplikasi
25
-
7/25/2019 Ujian Tengah Semester nano.docx
26/47
pengolahan kontrol dan
produksi massal.
3 34 S:nthesis o5 metalli9 nano6arti9les (sintesis nano6artikel logam)
Pembentukan nanopartikel logam yang homogen dilakukan dengan melakukan
kombinasi dari zat terlarut konsentrasi rendah dengan polimer monolayer. #ombinasi
tersebut akan menghambat di"usi pertumbuhan partikel dari sekitar larutan menuju
permukaan pertumbuhan sehingga proses di"usi itu menjadi tahap pembatas dari
pertumbuhan inti a$al dan menghasilkan pembentukan nanopartikel berukuran seragam
=homogen?. *nti a$al digunakan untuk medorong atau mengontrol reaksi reduksi.
ambar &.0 menunjukkan rangkuman singkat mengenai prekursor reagent reduksi dan
stabilisator polimerik yang umum digunakan dalam proses produksi disperse koloid
logam.
!anyak metode telah dikembangkan untuk sintesis nanopartikel emas
diantaranya reduksi sodium sitrat dari asam chlorauric pada ('' o5 yang dikembangkan
lebih dari )' tahun yang lalu masih menjadi metoda yang paling umum digunakan.
Proses ekeperimen sederhananya adalah sebagai berikut. Asam chlorauric dilarutkan
dalam air untuk membuat &' ml larutan yang sangat encer sekitar &.)3(' -2 8.
#emudian ( ml '.) sodium sitrat ditambahkan ke dalam larutan mendidih.
Pengadukan terus dilakukan pada ('' o5 sampai berubah $arna Golume larutan harus
dijaga tetap dengan menambahkan air. #oloid yang disiapkan akan memiliki kestabilan
yang sempurna dan ukuran diameter partikel yang seragam yaitu sekitar &' nm. al
tersebut menunjukkan bah$a inti a$al yang banyak terbentuk pada tahap nukleasi akan
menghasilkan banyak nanopartikel dengan ukuran yang lebih kecil dan ukuran
distribusi yang sempit.irai dkk menyiapkan disperse koloid dari rhodium dengan menyurutkan larutan
rhodium klorida dan P6A dalam campuran methanol dan air bersuhu 04 o5. 9asio
Golume methanol dengan air adala ( @ (. Penyurutan dilakukan dalam argon atau udara
selama '.& sampai (/ jam. Dalam proses ini methanol digunakan sebagai reagent
reduksi dan reaksi reduksinya adalah @
R%C l3 +32
C & 3 '&R% +32
&C&' +3 &Cl
26
-
7/25/2019 Ujian Tengah Semester nano.docx
27/47
5ontoh pembuatan nanopartikel
Pelarut I 5 % agen reduksi =reduktor?
Prekursor I 9h5l
9h I stabilizer atau barier di"usi
Stabilizer diperbesar maka partikel yang terbentuk akan semakin kecil stabilizer
diperbanyak yaitu dengan diperkental maka proses pembentukan jadi terhambat
sehingga jari-jari =r? nanopartikelnya menjadi lebih kecil. P tinggi memicu terjadinya
reaksi konsentrasi =5? dengan =5 L 5 ' ? larutan menjadi kecil sehingga menghasilkan
ukuran nano yang kecil.
P6A digunakan sebagai polimer stabilisator dan juga sebagai pembatas di"usi.
9h nanopartikel yang diperoleh memiliki diameter rata-rata sekitar '.1 ; 2 nm. Namun
distribusi ukuran bimodal ditemukan ukuran terbesar 2 nm dan ukuran terkecil '.1 nm.
8eningkatkan $aktu penyurutan ternyata dapat menurunkan partikel kecil dan
meningkatkan partikel besar yang dikaitkan dengan pematangan %st$ald.
27
-
7/25/2019 Ujian Tengah Semester nano.docx
28/47
ambar &.1 9angkuman mengenai prekursor reagent reduksi dan stabilisator
3 343* n5l7en9es o5 red79tion reagents (6engar7h dari reagen red7ksi)
Pengarug reagen reduksi adalah jika konsentrasinya tinggi maka akan
mempercepat laju reaksi. Hkuran dan distribusi ukuran dari koloid logam sangatlah
berbeda secara signi"ikan tergantung reagen reduksi yang digunakan dalam proses
28
-
7/25/2019 Ujian Tengah Semester nano.docx
29/47
sintesis. Hmumnya reaksi reduksi yang kuat akan menghasilkan laju reaksi yang cepat
dan menghasilkan nanopartikel yang lebih kecil.
9eagen reduksi yang lemah menyebabkan laju reaksi yang lambat dan
menghasilkan partikel yang lebih besar. Namun laju reaksi yang kecil akan
menghasilkan distribusi yang lebih luas atau lebih sempit. ika reaksi lambat terjadi
pada pembentukan inti a$al atau inti sekunder distribusi luas akan terjadi. Sebaliknya
jika tidak terbentuk inti reaksi lambat akan menghambat perkembangan pembentukan
partikel nano akibatnya distribusi ukuran yang sempit akan terjadi.
3 343 n5l7en9es 8: other 5a9tors (6engar7h lainn:a)
Selain dipengaruhi oleh reagen reduksi laju reaksi reduksi dan perkembangan
partikel dapat dipengaruhi oleh hal lainnya. 5ontohnya adalah dalam sintesis
nanopartikel Pt menggunakan reduksi methanol cair dari &Pt5l / Du"" dkk menemukan
bah$a konsentrasi koloid ion yang tinggi muncul dalam reaksi campuran
monodispersitas dan bentuk partikel koloid logam mendekati bola. Peningkatan
konsentrasi dari ion klorida akan menyebabkan laju reaksi yang lambat. Akibatnya
perkembangan partikel nano akan lambat dan menghambat pembentukan inti Pt.
Selanjutnya meningkatkan jumlah polimer dalam reaksi campuran akan meningkatkankebulatan dari partikel. Penurunan laju reaksi reduksi dapat dilakukan dengan
menggunakan reaktan berkonsentrasi rendah. Sedangkan peningkatan laju reaksi
reduksi dapat dilakukan dengan menggunakan larutan dengan p yang tinggi.
3 3434 n5l7en9es o5 6ol:mer sta8ili>er (6engar7h 6olimer sta8ili>ator)
Pengaruh beberapa polimer stabilisator pada proses dispersi koloid perak. 5ontoh
polimer stabilisator yang digunakan adalah polyethyleneimine sodium polyphosphate sodium
polyacrylate dan poly=Ginylpyrrolidone?. Walaupun polimer stabilisator dikenal untuk
membentuk lapisan tunggal dari permukaan nanopartikel sehingga mencegah aglomerasi
nanopartikel penggunaan polimer stabilisator tersebut dapat memiliki berbagai pengaruh
selama pembentukan nanopartikel. *nteraksi antara permukaan partikel padat dengan polimer
stabilisator sangat bergantung pada kimia permukaan polimer pelarut dan suhu. Penyerapan
yang kuat dari polimet stabilisator akan menempati tempat perkembangan dan menghambat laju
perkembangan nanopartikel.
29
-
7/25/2019 Ujian Tengah Semester nano.docx
30/47
Pengaruh lainnya dari polimer stabilisator adalah polimer stabilisator memiliki e"ek katalis
dalam reaksi reduksi penggunaan stabilisator yang sama namun mengubah konsentrasi larutan
material akan menyebabkan perbedaan bentuk nanopartikel yang dihasilkan.
3 3+ S:nthesis o5 semi9ond79tor nano6arti9les (sintesis nano6artikelsemikond7ktor)
Dua metode sintesis nanopartikel semikonduktor yaitu@
nanopartikel oksida
nanopartikel nonoksida
Hmumnya metode sistesis nanopartikel nonoksida semikonduktor menggunakan
prinsip pirolisis =perubahan secara kimia$i yang terjadi karena panas? dari prekursor
=senya$a yang mendahului senya$a lain dalam jalur metabolisme? logam organik yang
dilarutkan dalam pelarut anhidrat di suhu yang tinggi di lingkungan pengap dengan
adanya stabilisator polimer atau material pelapis =capping?. Polimer inilah yang
dihubungkan langsung dengan permukaan nanokristal melalui ikatan koGalen ataupun
jenis ikatan lainnya tergantung pada unsur atau ion logam yang digunakan. +ormasi
pembubaran tunggal partikel =monodispersed? pada nanokristal semikonduktor
berlangsung sesuai dengan tahap-tahap berikut@
Nucleation atau pengintian yaitu tahap a$al pada proses kristalisasi yang terjadi pada saat konsentrasi larutan meningkat dan mengalami titik jenuh
%st$ald ripening atau pengkasaran partikel terjadi selama meningkatnya suhu
sehingga partikel besar tumbuh menjadi partikel yang lebih kecil dengan
distribusi ukuran yang semakin kecil
size selectiGe precipitation atau keseragaman ukuran partikel dilakukan dengan
pengendapan pada ukuran tertentu
!erikut ini eksperimen sistesis nanopartikel nonoksida semikonduktor denganmenggunakan senya$a 5d7 =7IS-Sul"ur SeISelenium TeITelurida?. Sumber 5d
berasal dari larutan Dimethylcadmium =8e &5d? dan bis=trimethylsily(? sul"ida
==T8S?&S? trioctylphosphine selenide =T%PSe? serta telluride trioctylphosphine
=T%PTe? digunakan sebagai senya$a prekursor. 5ampuran dari tri-n- octylphosphine
=T%P? dan tri-noctylphosphine oksida =T%P%? digunakan sebagai pelarut
pengkoordinasi dan material pelapis sedangkan untuk pelarut anhidratnya menggunakan
metanol.
30
-
7/25/2019 Ujian Tengah Semester nano.docx
31/47
3 3, S:nthesis o5 o?ide nano6arti9les (sintesis nano6artikel oksida)
Sintesis atau pembentukan nanopartikel oksida lebih sulit untuk dimanipulasi
karena oksida umumnya lebih stabil secara termal dan kimia daripada kebanyakan
semikonduktor dan logam. Seperti %st$ald ripening diterapkan dalam sintesis oksida
nanopartikel untuk mengurangi distribusi ukuranJ hasilnya kurang e"ekti" dibandingkan
bahan lainnya. Uang populer dipelajari dari berbagai contoh oksida koloid adalah silika
koloid. Hmumnya partikel oksida dalam dispersi koloid disintesis oleh pengolahan sol-
gel. Pengolahan sol-gel juga biasa digunakan dalam pembuatan berbagai struktur nano
core-shell dan teknik permukaan.
3 3,3* ntrod79tion to sol-gel 6ro9esing (6engantar 6roses sol-gel)
Sol @ dispersi koloid
el @ matriks dimensi yang dilingkupi "ase cair
Adapun tahap-tahap metode sol-gel adalah@
idrolisis =pemecahan yang dibantu oleh air memecah ikatan?
#ondensasi =menguap?
elasi =pembentukan gel?
Aging =penuaan?
Drying =pengeringan ; menjadi kristal?
Dan kemudian menjadi kristal
Pengolahan sol-gel sangat berguna dalam membuat oksida logam kompleks
suhu sensiti" hybrid material organik-anorganik dan material termodinamika yang tidak
menguntungkan atau metastabil. Pengolahan sol-gel biasanya terdiri dari hidrolisis dan
kondensasi dari prekursor. Prekursor dapat juga alkoksida dengan logam atau garam-
garam anorganik dan organik. %rganik atau pelarut cair dapat digunakan untuk
melarutkan prekursor dan sering ditambahkan katalis untuk mendorong reaksi hidrolisis
dan kondensasi.
5ara untuk memastikan hetero-kondensasi dan mencapai campuran homogen dari
beberapa komponen pada tingkat molekul
-
7/25/2019 Ujian Tengah Semester nano.docx
32/47
lebih kompleks akan menghasilkan prekursor kurang reakti". Prekursor kurang
reakti" lebih dulu dihidrolisis sebagian dan prekursor lebih reakti" dihidrolisis
kemudian. Sebagai contoh Si =%5 & ) ? 2 kurang reakti" daripada Si=%5 ?2.
8engubah keadaan koordinasi kimia alkoksida dengan chelating sebuah bahan
seperti asetilaseton.
Pada kasus yang ekstrim salah satu prekursor dapat sepenuhnya dihidrolisis lebih
dulu dan menghabiskan air jika prekursor yang dihidrolisis memiliki kondensasi
yang nilainya sangat rendah maka prekursor kedua dimasukkan dan dipaksa untuk
kondensasi dengan prekursor yang dihidrolisis oleh reaksi@
( ) ( ) HOEt OH M O H OEt M 22 2&2 ++
ambar &.4 7lectronegatiGity V partial charge 8 radius ionik =r? bilangan
koordinasi = n ? dari beberapa logam tetraGen
3 3,3 For9ed h:drol:sis (hidrolisis 6aksa)
idrolisis paksa dapat dilakukan pada temperatur tinggi untuk mempercepat
proses hidrolisis dimana materialnya sepeti Silika +e &% . 8etode paling sederhanauntuk generasi koloid oksida logam berukuran seragam yang didasarkan pada hidrolisis
paksa larutan logam salt. Hntuk menghasilkan logam seperti koloid oksida hanya perlu
satu yaitu lama larutan logam terhidrolisis pada suhu yang ditinggikan. al itu menjadi
jelas bah$a reaksi hidrolisis harus dilanjutkan dengan cepat dan menghasilkan
kejenuhan secara mendadak untuk memastikan ledakan nukleasi mengakibatkan
pembentukan sejumlah besar inti kecil akhirnya mengarah pada pembentukan partikel
kecil.
32
-
7/25/2019 Ujian Tengah Semester nano.docx
33/47
:aju reaksi dan ukuran partikel yang sangat tergantung pada pelarut prekursor
jumlah air dan amonia. Hntuk pelarut alkohol yang berbeda tingkat reaksi yang tercepat
dengan metanol paling lambat dengan n-butanol. Demikian juga ukuran partikel akhir
yang diperoleh dalam kondisi berimbang yang terkecil dalam metanol dan terbesar di n-
butanol. Namun ada kecenderungan ke arah distribusi ukuran lebar dengan alkohol
yang lebih tinggi.
3 3,34 #ontrolled release o5 ions (6ele6asan terkontrol ion)
Nanopartikel itu bukanlah dalam bentuk ion misalnya dalam proses sintesis kita
akan memperoleh ion dan untuk mengubah ion tersebut salah satu caranya adalah
dengan cara dipanaskan pada temperatur intermediate dimana tentunya harus ada
reduksi agennya =pereduksi?.
Pelepasan terkontrol komponen anion dan
-
7/25/2019 Ujian Tengah Semester nano.docx
34/47
untuk menghasilkan partikel yang lebih besar. #elompok asetat diyakini dapat
menempel pada permukaan [n% koloid dan dengan demikian menstabilkan dispersi
koloid.
3 3@ Aa6or 6hase rea9tions (reaksi 5asa 7a6)
Salah satu cara sintesis nanopartikel adalah dengan reaksi "asa uap. Secara
umum reaksi dan sintesis dilakukan pada suhu tinggi dan pada ruang hampa. 6akum
diperlukan untuk memastikan konsentrasi rendah dari pertumbuhan spesies untuk
mempromosikan di""usion-controlledpada pertumbuhan berikutnya. Nanopartikel yang
tumbuh biasanya dikumpulkan pada substrat non-sticking pada suhu yang relati" rendah.elas hanya sebagian kecil dari nanopartikel yang menetap pada permukaan substrat.
Selain itu nanopartikel yang menetap di permukaan substrat tidak me$akili distribusi
ukuran partikel yang benar. al ini juga sulit untuk memperkenalkan mekanisme
stabilisasi selama sintesis untuk mencegah pembentukan aglomerat. 8eskipun
tantangan tersebut hal itu telah dibuktikan bah$a berbagai nanopartikel dapat disintesis
oleh reaksi "asa uap. Sebagai contoh teknik agregasi gas telah diterapkan pada sintesis
nanopartikel perak dengan diameter &- nm. 5ontoh lain adalah produksi partikel silika
tersebar dengan ukuran diameter kurang dari ('' nm dengan cara pembakaran silikon
tetraklorida di hydrogen.
Nanopartikel dibentuk melalui nukleasi homogeny dan kemudian diendapkan
pada substrat dapat bermigrasi dan menggumpal. Terdapat & jenis gumpalan yang
ditemukan. Salah satunya adalah ukuran besar partikel bulat dan partikel seperti jarum.
Pembentukan partikel yang tersebar luas ditemukan dalam sistem Au pada =(''?
Na5( 41 dan substrat =( ( (? 5a+ 44 dan Ag =(''? pada substrat Na5l. Namun langkah-
ujungnya tidak selalu diperlukan untuk pembentukan jarum-seperti kristal. 8isalnya
5dS kristal nanorods dengan panjang beberapa ratus micrometer telah terbentuk.
Partikel Au dengan diameter pada skala nanometer telah tumbuh pada berbagai substrat
oksida termasuk oksida besi \-alumina dan titania. Nanopartikel aAs dapat disintesis
oleh nukleasi "asa uap homogeny dari prekursor organologam. Trimethyl gallium dan
As digunakan sebagai prekursor dan hidrogen digunakan sebagai gas pemba$a juga
sebagai reagen pengurangan. 9eaksi dan nukleasi terjadi pada suhu 0''Y 5 pada
34
-
7/25/2019 Ujian Tengah Semester nano.docx
35/47
tekanan atmos"er. Nanopartikel aAs dikumpulkan secara termal pada "ilm karbon
berlubang pada suhu )'Y 5. Nanopartikel yang ditemukan terdiri dari highly "aceted
single crystal aAs dengan diameter mulai dari (' sampai &' nm. Selain itu
meningkatnya suhu reaksi dan suhu nukleasi membuat ukuran partikel menjadi lebih
besar. Peningkatan konsentrasi prekursor memiliki pengaruh yang sama pada ukuran
partikel. Namun perubahan suhu dan konsentrasi precursor yang ditemukan memiliki
pengaruh yang dapat diabaikan pada mor"ologi nanopartikel.
3 3B Solid state 6hase segregation
Nanopartikel dari logam dan semikonduktor dalam matriks kaca umumnya
dibentuk oleh nukleasi homogen dalam keadaan padat. Pertama logam atau
semikonduktor prekursor diperkenalkan ke dan didistribusikan secara homogen pada
lelehan kaca cair pada suhu tinggi selama pembuatan kaca sebelum pendinginan sampai
suhu kamar. #emudian kaca didinginkan dengan pemanasan sampai suhu disekitar titik
transisi kaca dan ditahan selama $aktu periode pra-desain. Selama proses pendinginan
prekursor logam atau semikonduktor diubah menjadi logam dan semikonduktor.
Akibatnya logam atau semikonduktor jenuh dibentuk nanopartikel melalui nukleasi dan
pertumbuhan selanjutnya melalui di"usi solid-state.
#aca homogen yang dibuat dengan melarutkan logam dalam bentuk ion dalam
lelehan kaca dan kemudian dengan cepat didinginkan sampai suhu kamar. Pada bentuk
kaca seperti logam tetap sebagai ion. Setelah pemanasan pada daerah suhunya ion
logam direduksi menjadi atom logam dengan agen pengurangan tertentu seperti antimon
oksida yang juga ditambahkan ke dalam gelas. Nanopartikel logam juga dapat nukleasioleh ultraGiolet sinar-] atau radiasi \-ray jika ion radiasi-sensiti" yang digunakan
adalah cerium. Pertumbuhan berikutnya dari inti berlangsung dengan di"usi solid-
state. 8isalnya gelas dengan nanopartikel emas perak dan tembaga dapat disiapkan
dengan pendekatan seperti itu. 8eskipun ion logam mungkin sangat larut dalam lelehan
kaca atau gelas atom logam tidak larut dalam gelas. #etika dipanaskan sampai suhu
tinggi atom logam memperoleh di"usiGitas yang dibutuhkan untuk bermigrasi melalui
kaca dan kemudian membentuk inti. *nti ini akan tumbuh lebih lanjut untuk membentuk
35
-
7/25/2019 Ujian Tengah Semester nano.docx
36/47
nanopartikel dengan berbagai ukuran. #arena di"usi solid-state relati" lambat hal ini
relati" mudah untuk pertumbuhan di"usi- dikendalikan untuk pembentukan partikel
monosized.
34 Nano6arti9les thro7gh heterogeneo7s n79leation
343* F7ndamentals o5 heterogeneo7s n79leation (dasar-dasar n7kleasi heterogen)
Nukleasi heterogen adalah nukleasi yang dilakukan diatas material yang
berbeda. Nukleasi adalah langkah pertama dari pembentukan "asa termodinamik baru
atau struktur baru melalui tahap sel"-assembly atau sel"-organisation. Nukleasi
umumnya dide"inisikan sebagai proses yang menentukan seberapa lama kita harusmenunggu sebelum "asa baru atau struktur baru terbentuk. Dalam keadaan normal
nukleasi terjadi pada titik-titik lokasi nukleasi pada permukaan suatu material yang
terkontak langsung dengan cairan atau uap. +enomena ini disebut sebagai nukleasi
heterogen. Sedangkan nukleasi yang terjadi tanpa adanya titik-titik nukleasi a$al
disebut nukleasi homogen. Nukleasi homogen terjadi secara spontan dan acak tetapi
memerlukan proses pemanasan tinggi =superheating? atau pendinginan tinggi
=supercooling? pada medium.
Saat sebuah "asa baru terbentuk di atas permukaan material lain proses ini
disebut sebagai nukleasi heterogen. Salah satu contohnya yaitu proses nukleasi
heterogen yang terjadi pada bidang substrat padat. Dengan mengasumsikan
penumbuhan spesies terjadi pada "asa uap yang mengenai permukaan substrat spesies
tersebut kemudian berdi"usi dan terkumpul membentuk sebuah inti yang berbentuk topi
seperti tampak pada ambar .& . Serupa dengan nukleasi homogen terjadi
pengurangan energi bebas ibbs dan peningkatan energi permukaan. Perubahan total
energi kimia G akibat pembentukan inti tersebut dinyatakan dalam persamaan
berikut.
G = a 3 r 3 v+a 1 r 2 v( +a 2 r 2 (s+a 2 r 2 sv =&.(2?
36
-
7/25/2019 Ujian Tengah Semester nano.docx
37/47
Dengan r adalah dimensi rata-rata dari inti v adalah perubahan energi bebas
ibbs per satuan Golum v( (s dan sv masing-masing merupakan energi
permukaan dari inti-uap substrat-inti dan uap-substrat.
ambar &.(' Skema ilustrasi proses nukleasi heterogen dengan energi permukaan
dalam kesetimbangan.
#onstanta geometrik dinyatakan sebagai berikut.
a 1= 2 (1 )os* ) =&.()?
a 2 = sin2* =&.(/?
*2 3 )os* +cos 2
a 3= 3 =&.(0?
Dengan
* I sudut kontak
yang bergantung pada si"at-si"at permukaan dan dide"inisikan oleh persamaan Uoung @
sv= (s + v( cos * =&.(1?
Serupa dengan nukleasi homogen pembentukan "asa baru menyebabkan berkurangnya
energi bebas ibbs tetapi total energi permukaan meningkat. *nti baru tersebut stabil
hanya ketika ukurannya lebih besar daripada ukuran kritisnya r
@
37
-
7/25/2019 Ujian Tengah Semester nano.docx
38/47
r = 2 (a 1 v( +a 2 (s a 2 sv)
3 a 3 G v =&.(4?
Dan hambatan energi kritis G
dinyatakan sebagai berikut @
G =4 (a 1 v( +a 2 (s a 2 sv )3
27 a 32 G v
=&.&'?
Dengan mensubstitusi semua konstanta geometrik tersebut diperoleh @
r =2 v( G v {sin
2 * +cos *+2cos * 22 3cos *+cos 3 * } =&.&(?
G ={ 16 v(
3 (G v)2}{2 3cos *+cos3
*4 } =&.&&?
8embandingkan persamaan ini dengan Pers. =&./? terlihat bah$a suku pertama
merupakan nilai dari hambatan energi kritis untuk proses nukleasi homogen sementara
suku kedua menyatakan "aktor kebasahan =$etting "actor?. Saat sudut kontak (1'Y "asa
yang baru tidak akan membasahi substrat "aktor kebasahan menjadi ( dan hambatan
energi kritis menjadi sama dengan nukleasi homogen. ika sudut kontak kurang dari
(1'Y hambatan energi untuk nukleasi heterogen selalu lebih kecil dari nukleasi
homogen yang mengartikan bah$a nukleasi heterogen lebih mudah terjadi dibanding
nukleasi homogen pada banyak kasus. #etika sudut kontak 'Y "aktor kebasahan
menjadi nol dan tidak ada energi penghalang untuk pembentukan "asa baru. Sebagai
contoh sudut kontak sama dengan 'Y adalah endapannya merupakan material yang
sama dengan substrat yang digunakan sebagai media penumbuhan.
Hntuk mensintesis partikel-partikel nano atau dot kuantum =,uantum dot? pada
substrat diperlukan *>0 dan persamaan Uoung menjadi @
sv
-
7/25/2019 Ujian Tengah Semester nano.docx
39/47
!anyak metode telah dilakukan untuk menghasilkan de"ek permukaan yang
homogen untuk menjadi titik-titik pusat nukleasi diantaranya yaitu oksidasi termal
sputtering dan oksidasi termal dan plasma Ar dan oksidasi termal ulterior. :ogam yang
dapat teruapkan seperti perak dan emas cenderung membentuk partikel-partikel kecil
pada substrat %P =highly oriented pyrolitic graphite?. Terbentuknya partikel-partikel
nano dari logam tersebut sangat berhubungan erat dengan de"ek permukaan. #etika
de"ek yang muncul hanyalah berupa bagian tepi dari permukaan substrat partikel-
partikel nano tersebut dikonsentrasikan hanya di sekitar bagian tepi tersebut. Sebagai
contoh atom-atom logam pada substrat akan berdi"usi dan membentuk partikel-partikel
yang terkonsentrasi hanya pada bagian tepi karena bagian tepi pada suatu permukaan
lebih dianggap sebagai lokasi proses nukleasi yang didasarkan pada keadaan energi
tingginya. Tetapi untuk de"ek lainnnya seperti adanya lubang partikel-partikel nano
tampak terdistribusi secara menyeluruh pada permukaan substrat seperti tampak pada
ambar &.((
ambar &.(( S+8 =Scanning +orce 8icroscopy? dari partikel perak nano pada substrat
gra"it %P -&41@ =i? penumbuhan terjadi hanya pada de"ek tepian dari substrat asli dan
=ii? penumbuhan terjadi dimanapun de"ek permukaan muncul.
arus dicatat bah$a pembentukan partikel-partikel nano melalui nukleasi
heterogen berbeda dari sintesis dengan menggunakan reaksi "asa uap =Subbbab &.&./?.
Hntuk nukleasi homogen pada "asa uap partikel pertama kali dibentuk pada "asa uap
dan kemudian terendapkan di atas permukaan substrat sementara nukleasi heterogen
spesies penumbuh dikenakan di bagian atas dan membentuk inti pada permukaan
substrat.
39
-
7/25/2019 Ujian Tengah Semester nano.docx
40/47
3+ ineti9all: 9on5ined s:nthesis o5 nano6arti9les (8atasan kinetik 6ada sintesis
nano6artikel)
!atasan kinetik pada sintesis nanopartikel dilakukan agar pertumbuhan berhenti
ketika jumlah sumber bahan yang dikonsumsi terbatas atau ruang yang tersedia telah
penuh. Secara umum kurungan spasial dapat dibagi menjadi beberapa kelompok@
Tetesan cairan dalam "ase gas termasuk sintesis aerosol dan semprotan pirolisis
Tetesan cairan dalam cairan seperti misel dan sintesis emulsi mikro
!erbasis template sintesis
Akhiran sintesis. Semua metode ini akan dibahas secara singkat dalam bagian ini.
3+3* S:nthesis inside mi9elles or 7sing mi9roem7lsion
Sintesis nanopartikel dapat dilakukan dengan membatasi reaksi dalam ruang
terbatas. 8etode ini dicontohkan oleh sintesis nanopartikel dalam misel atau
mikroemulsi. Dalam sintesis misel 9eaksi melanjutkan antara reaktan yang tersedia
hanya dalam misel dan partikel berhenti tumbuh ketika reaktan dikonsumsi. #etika
sur"aktan atau blok polimer biasanya terdiri dari dua bagian@ satu hidro"ilik dan
hidro"obik lain dilarutkan ke dalam pelarut mereka dengan istime$anya merakit diri
pada larutan aida,ueous atau hydrocarbod permukaan larutan. !agian hidro"ilik
diakti"kan menuju larutan. #etika konsentrasi sur"aktan atau blok polimer melebihi
tingkat kritis mereka merakit diri sedemikian rupa untuk membentuk misel. Sur"aktan
atau blok polimer akan berada di pemisah antarmuka hidrokarbon dan larutan air.
Sebuah mikroemulsi adalah dispersi tetesan cairan dari larutan organik dalam larutan
berair. Seperti sistem mikroemulsi dapat digunakan untuk sintesis nanopartikel. 9eaksi
kimia dapat berlangsung baik di permukaan antara tetesan organik dan larutan ketika
reaktan diperkenalkan secara terpisah menjadi dua solusi non-mi3able atau di dalam
tetesan organik ketika semua reaktan dilarutkan ke dalam tetesan organik.
3+3 !erosol S:ntesis (sintesis aerosol)
Salah satu contoh aerosol adalah asap li,uid aerosol adalah butiran cairan di
dalam gas cara membuatnya adalah@
40
-
7/25/2019 Ujian Tengah Semester nano.docx
41/47
Sonikasi =memberikan getaran kedalam?
Semprotan
Nanospray adalah contoh dari tipe li,uid aerosol dimana prosesnya adalah@
!angkitkan broket mikrosize
7Gaporasi larutan
#ondensasi terlarut
Dekomposisi dan reaksi terlarut
Sentrik padatan
Pembentukan nanopartikel dengan metode aerosol berbeda dari metode lain
dalam beberapa aspek.Pertama-tama metode aerosol dapat dianggap sebagai pendekatan top-do$n dibandingkan dengan metode lain yang memiliki pendekatan
bottom-up. #edua nanopartikel dapat polikristalin dengan baik dibandingkan kristal
tunggal atau struktur amor" nanopartikel yang dibentuk oleh metode lain. #etiga
nanopartikel yang dibentuk perlu dikumpulkan dan didispersikan kembali untuk banyak
penerapan. Dalam metode ini prekursor cair pertama disiapkan. Prekursor dapat
menjadi solusi campuran sederhana dari elemen konstituen yang diinginkan atau
dispersi koloid. Prekursor cair tersebut kemudian misti"ied membuat aerosol cair yaitudispersi tetesan seragam cairan dalam gas yang mungkin hanya bagus jika melalui
penguapan pelarut atau lebih bereaksi dengan bahan kimia dalam gas. Partikel yang
dihasilkan yaitu bulat dan ukurannya ditentukan oleh ukuran tetesan cairan a$al dan
konsentrasi padat
3+34 &ro=th termination (6enghentian 6ert7m87han)
Pada sintesis nanopartikel ukuran dapat dikontrol disebut penghentian
pertumbuhan. Pendekatan ini secara konseptual langsung. #etika komponen organik
atau ion asing yang melekat pada permukaan yang kuat sehingga bah$a semua situs
pertumbuhan yang tersedia ditempati proses pertumbuhan berhenti. erron dan zat lain
disintesis oleh partikel koloid 5dS berdasarkan pertumbuhan yang kompetiti" dan
penghentian spesies 5dS pada permukaan Thiophenol. #admium asetat Thiophenol
dan anhidrat natrium sul"ida digunakan untuk sintesis dan semua prosedur sintetis dan
larutan inti disiapkan@
41
-
7/25/2019 Ujian Tengah Semester nano.docx
42/47
=A? cadmium asetat dilarutkan dalam metanol E5dF I ' ( 8
=!? natrium sul"ida dalam campuran air dan metanol dengan rasio Golume (@ ( ES &-F I
' ( 8
=5? Thiophenol dalam metanol EPhS F I ' & 8.
Hkuran partikel 5dS berGariasi dengan rasio relati" sul"ida untuk Thiophenol
dan berkisar dari kurang dari ( ) nm untuk Z ) nm. *tu jelas menunjukkan bah$a
peningkatan jumlah capping molekul relati" terhadap prekursor sul"ida menghasilkan
ukuran partikel berkurang. %leh karena itu ukuran nanopartikel ini bisa dengan mudah
dikendalikan dengan menyesuaikan konsentrasi relati" capping molekul dan prekursor.
Pendekatan sintetis yang mirip berlaku untuk pembentukan nanopartikel oksida logam.
3+3+ S6ra: 6:rol:sis
Spray pyrolisis pada dasarnya adalah proses larutan dan biasa digunakan dalam
preparasi serbuk logam dan logam oksida. Proses ini secara sederhana dideskripsikan
sebagai pengubah ukuran mikro larutan droplets presekursor atau presekursor campuranmenjadi partikel padatan melalui pemanasan.
Tahap spray pyrolysis
8embangkitkan droplet ukuran mikro presekursor cair atau larutan presekursor
8enguapkan pelarut
#ondensasi bahan terlarut
Dekomposisi dan reaksi bahan terlarut
Sintering partikel padatan.
Spray pyrolisis merupakan suatu metode yang biasa digunakan dengan
menggunakan sumber cairan untuk menghasilkan lapisan tipis. 8etode ini dilakukan
dengan cara penyemprotan larutan logam bersama bahan penguat ke dalam sustrat
dimana pemadatan logam terjadi.
!erbagai kelebihan metode spray pyrolisis @
42
-
7/25/2019 Ujian Tengah Semester nano.docx
43/47
(. Tingginya kecepatan pemadatan dari larutan logam yang menghasilkan struktur
batas butir yang halus.
&. 7"ekti" lebih murah dan dapat ditampilkan secara mudah
. Substrat dengan geometri yang kompleks dapat terlapisi
2. Deposisi spray pyrolisis menunjukkan lapisan yang relati" seragam dengan
kualitas yang tinggi.
). Tidak membutuhkan suhu yang tinggi selama proses berlangsung =diatasZ )''o5?
/. :pisan yang terdeposisi menggunakan metode spray pyrolisis mudah diproduksi
sehingga memungkinkan untuk diproduksi secara massal.
3+3, Tem6late-8ased s:nthesis (sintesis 8er8asis tem6late)
8etode sintesis template memerlukan preparasi Garietas mikro dan nanomaterial
mengenai mor"ologi dan menyediakan rute untuk meningkatkan orde nanostruktur.
Secara luas template dide"inisikan sebagai struktur inti dengan jaringan berbentuk
dalam beberapa perubahan template menciptakan rongga dengan mor"ologi dan
stereokimia yang bergantung pada template itu sendiri.
Pendekatan template untuk preparasi "ree-standing non-oriented dan orientednano$ire dan nanorod telah dilakukan secara ekstensi". Template yang biasa digunakan
dan tersedia secara komersial adalah membran anoda alumina dan membran radiasi
polikarbonat. 8embran lain yang juga telah digunakan adalah nanochannel pada kaca
material mesopori silika berpori zeolit dan nanotube karbon. !iotemplate juga
digunakan untuk menghasilkan nanotube tan nano$ire seperti 5u Ni 5o dan Au.
Hntuk mendapatkan pori atau ukuran jaringan mor"ologi distribusi ukuran dan densitas
pori yang diinginkan material template harus memenuhi beberapa ketentuan. Pertamamaterial tesebut harus bersi"at kompatibel terhadap kondisi proses. #edua material atau
larutan yang terdeposisi harus basah pada dinding internal pori. #etiga pada sintesis
nanorod atau nano$ire deposisi harus mulai dari ba$ah atau dari satu akhir jaringan
template dan diproses dari satu sudut yang lain.
3, E6ita?ial 9ore-shell nano6arti9les
43
-
7/25/2019 Ujian Tengah Semester nano.docx
44/47
Nanopartikel telah diperlakukan untuk berbagai teknik permukaan untuk
berbagai aplikasi mencakup sel"-asembly dari komponen organik dan spesies bioakti"
dan nanostruktur dari logam dielektrik core-shell. Topik ini seharusnya mendapatkan
perhatian khusus dan akan didiskusikan lebih rinci pada !ab./. anya struktur dari kulit
inti< inti shell semikonduktor akan didiskusikan berikut ini. Semula seperti penumbuhan
core-shell struktur dengan epita3ial dan shell akan diperlakukan sebagai ekstensi dari
struktur inti dengan perbedaan komposisi kmia. Sebagai tambahan penumbuhan dari
core dan shell pada sistem ini sangat berhubungan erat.
Nanopartikel semikonduktor memiliki e"ek kuantum dan memiliki hasil emisi
yang tinggi mele$ati spektrum cahaya tampak dan dekat in"rared. Permukaan seperti
nanopartikel atau kuantum dot sebagian besar menentukan kuantum yield dan $aktu
tempuh emisi dari band perbedaan luminescence. :uminescence tinggi dicapai dengan
menggunakan passiGasi permukaan untuk menurunkan rekombinasi non radiati"
permukaan dari muatan pemba$a.
PassiGasi adalah proses pembentukan senya$a oksida logam di permukaan logam untuk
mencegah korosi.
Ada dua metode dari passiGasi yang umumnya digunakan @
( Teknik band gap Teknik band gap adalah proses mengontrol atau mengubahsuatu material dengan mengontrol komposisi dari campuran semikonduktor
tertentu seperti aA*As *n aAs dan *nA*As .
& 8enyerap :e$is bases ke permukaannya contohnya otylamine yang digunakan
untuk pasiGasi permukaan 5dSe dan ,uantum dot 5dSe
-
7/25/2019 Ujian Tengah Semester nano.docx
45/47
Petumbuhan epitaksial dari shell material pada inti nanokristalit bisa
menghilangkan dangling bonds permukaan kation dan anion dan juga menghasilkan
sebuah sistem nanokristal yang baru seperti yang dikutip peng et al. The Wurtzite
5dSe
-
7/25/2019 Ujian Tengah Semester nano.docx
46/47
dicapped dengan T%P% dan diperoleh diameter ) nm. Hntuk penumbuhan shell
nanokristal 5dSe dihancurkan menjadi anhydrous pyridine dan mengalir kembali jika
diba$ah pengaruh argon. 5ds stock solution dibuat dengan menambahkan =T8S? &S
yang dibutuhkan ke dalam 5d=5 ?& yang telah dihancurkan pada T!P berisi
kandungan nitrogen dengan perbandingan molar 5d@S adalah (@& ( $as added drop
$ise =( drop per second? hingga reaksi akhir pada ('' o5.
REFEREN#ES
http@
-
7/25/2019 Ujian Tengah Semester nano.docx
47/47
http@