(RESUME) Chapter 3 – Zero-Dimensional Nanostructures : Nanoparticle

Chapter 3 – Zero-Dimensional Nanostructures : Nanoparticles

Buku Nanostructures_and_Nanomaterials “Synthesis, Properties and Applications” - Guozhong Cao

Oleh : Halida Rahmi Luthfianti

Sumer : https://www.nextbigfuture.com/2010/11/heterogeneous-nanostructured-electrode.html

3.1. Pendahuluan

Teknik pengolahan suatu bahan (fabrikasi) berukuran nano memiliki berbagai macam cara, termasuk pendekatan top-down dan bottom-up. Teknik tersebut telah banyak dikembangkan dalam sintesis nanopartikel. Top-down, merupakan teknik pengolahan material dari ukuran besar menjadi kecil, yang sudah memiliki fungsi tertentu, contohnya penggerusan (attrition/milling), proses perlakuan panas yang cepat dan berulang (quenching),dan litografi. Proses milling adalah proses penggerusan yang memanfaatkan tumbukkan antara bola dengan dinding wadah. Ball mill banyak digunakan sebagai alat untuk menjadikan nanopartikel, akan tetapi kontaminan dari interaksi antar bola dan dinding kadang menjadi pengotor. Adapun teknik pengolahan lainnya menggunakan pendekatan bottom-up. Bottom-up merupakan teknik pengolahan material yang banyak dilakukan dengan sintesis material menggunakan prekusor tertentu kemudian dijadikan fungsional.

Proses pembentukan partikel nano pada sintesis memiliki beberapa tahapan :

a.       Proses pendekatan kesetimbangan termodinamika

-          Pembangkitan supersaturasi/super jenuh pada larutan

Kondisi dimana pelarut sudah tidak dapat melarutkan zat terlarut.

-          Nukleasi

Pembentukan inti dari larutan-larutan.

-          Pertumbuhan

Merupakan proses yang membentuk antara atom inti pada permukaan (growth surface) dengan atom yang dating (pembentuk)

b.      Proses pendekatan kinetik

3.2. Nukleasi Homogen

Pada proses nukleasi terdapat dua kemungkinan pembentukan inti (nukleasi), yakni : nukleasi homogen dan nukleasi heterogen. Nukleasi homogen adalah pembentukan inti atom yang sejenis dan terjadi secara spontan. Sedangkan nukleasi heterogen adalah pembentukan inti pada suatu material dengan bentuk struktur yang tidak sama antar satu dengan yang lainnya (tejadi pada permukaan, impuritas, batas butir, dislokasi)

Proses nukleasi terjadi beberapa tahapan :

-          Nukleasi meningkat, maka probabilitas pertumbuhan partikel meningkat pula.

-          Spesies tumbuh (pusat nukleasi)

-          Successful growth : tumbuh dan berkumpul mempentuk permukaan bahan.

·         Dasar-dasar Nukleasi Homogen

-          Perubahan energy bebas gibbs per volume.

Energi Gibbs merupakan hal yang perlu diperhatikan dalam pencampuran larutan dan terlarut. Larutan tidak hanya berbentuk cairan, tetapi termasuk gas juga.  

-          Perubahan energy gibbs atau energi volume

Satuan dari butiran larutan terbagi menjadi dua, yakni energi volume dan energi permukaan. 

Penjumlahan dari energy volume dan energy permukaan merupakan total energy yang terjadi pada fenomena tersebut, yang kemudian akan membentuk puncak pada grafik. Kondisi puncak tersebut disebut kondisi kritis, dimana saat terjadi kondisi kritis nukleus paling stabil.

·         Pertumbuhan nukleasi tahap selanjutnya :

-        Pembangkitan spesies tumbuh

-        Pertumbuhan yang diontrol dari difusi, yani lompatnya spesies ke pusat nukleasi. Yang mengakibatkan adanya diffusion jump frequency, yaitu proses transformasi atom dari satu konsentrasi ke konsentrasi lainnya yang mengakibatkan adanya frekuensi.

-       Proses adsorpsi, yakni pertumbuhan yang terjasdi pada permukaan, menempelnya bulk menuju pusat permukaan.

·         Sintesis nanopartikel logam

Pembentukan ukuran logam nanopartikel diperoleh dengan mencampurkan zat terlarut (konsentrasi rendah) dan polimer lapisan tunggal pada permukaan pertumbuhan. Secara umum, pengaruh-pengaruh terhadap sintesis yakni :

-          Reduksi reagen, yang lebih kuat menyebabkan laju reaksi lebih cepat dan menghasilkan nanopartikel berukuran lebih kecil.

-          Penstabil polimer, yang digunakan untuk stabilisasi reaksi dapat memberikan beragam pengaruh pada proses penumbuhan nanopartikel karena interaksi antara permukaan partikel dan polimer bergatung pada sifat kimia permukaan polimer-partikel, larutan, dan suhu

-          Pengaruh dari at lainnya, seperti reduksi methanol pada H₂PtC₁

·         Sintesis nanopartikel semikonduktor

-          Nanopartikel semikonduktor nonoksida umumnya disentesis dengan metode pirolisis atau menguraikan prekursor logam organik dalam pelarut nonhidrat dengan temperatur tinggi dalam tempat kedap udara dengan menambahkan stabilizer polimer atau capping material

·         Sintesis nanopartikel oksida

Pada umumnya sintesis nanopartikel oksida lebih stabil secara termal dan kimiawi dibandingkan semikonduktor dan logam, tapi hal tersebut menjadi penyebab reaksi dan penumbuhan nanopartikel oksida lebih sulit untuk dimanipulasi. Sintesis nanopaterikel oksida umumnya dilakukan menggunakan proses sol-gel.

-          Sol-gel, merupakan proses yang . Yang meliputi beberapa tahap :

-          Hidrolisis, merupakan jenis reaksi dekomposisi di mana salah satu reaktannya berupa air.

-          Kondensasi, merupakan perubahan wujud benda ke wwujud yang lebih padat.

-          Pembentukan kristal

·         Reaksi fase uap

-          Secara umum, reaksi dan sintesis nanopartikel dialkukan pada suhu tinggi dan dalam keadaan vakum.

-          Keadaan vakum dibutuhkan untuk memastikan konsentrasi rendah pada pertumbuhan molekul, sehingga dapat mengendalikan difusi penumbuhan berikutnya

·         Segregasi fase padat

-          Nanopartikel logam dan semikonduktor dalam matriks kaca pada komposit dibentuk menggunakan metode nukleasi homogen dalam keadaan padat.

Logam atau semikonduktor yang diinginkan didistribusikan secara homogen dalam lelehan kaca liquid pada suhu tinggi, sebelum didinginkan dengan cepat pada temperatur ruang.

3.3. Nukleasi Heterogen

Prinsip dasar pembentukan inti dalam pendektan kesetimbangan termodinamika sama dengan nukleasi homogeny, begitupun konsep perubahan energy gibbs per volumenya. Yang membedakan adalah perubahan energy volume, perubahan energy permukaan dan atom-atom yang menempel yaitu bukan atom yang sejenis. Beberapa fenomena dalam nukleasi heterogen sebagai berikut :

-          Hidrofobik, sifat fisik suatu molekul yang tidak suka dengan air, dan memiliki sudut < 90 derajat dan lebih besar sama dengan 0 derajat antara liquid dan solid .

-   Hidrofilik, sifat fisik suatu molekul yang tidak suka dengan air, dan memiliki sudut memiliki sudut < 180 derajat dan lebih besar sam dengan 90 derajat antara liquid dan solid.

·         Sintesis nanopartikel

Contoh dari sintesis nanopartikel dalam pendekatan nukleasi heterogen yaitu pada sintesis antara perak dengan Highly Oriented Pyrolitic Graphite (HOPG). Agar atom-atom tersusun dilakukan pemanasan dan fungsi graphite untu menumbuhkan atom-atom tersebut.

3.4. Proses Pendekatan Kinetik

Pertumbuhan yang dikontrol secara kinetik adalah membatasi pertumbuhan secara spasial sehingga pertumbuhan berhenti ketika terbatasnya jumlah bahan sumber yang dikonsumsi atau ruang yang tersedia sudah terisi semua. Adapun kontrol yang dilakukan dalam ruang tersebut yakni :

a)      Air yang dikontrol oleh dan atau dalam gas, seperti aerosol (cairan di dalam kabut gas) dan spray.

b)      Air yang dikontrol dalam air, seperti sintesis micelle dan mikro emulsi.

c)      Dibuat template untuk sintesis, salah satu contohnya dibuat cetakan tapi dalam ukuran nano.

d)     Sintesis self-termining, seperti besi oksida, nanopartikel Fe₃0₄ terdispersi dalam matriks polimer padat, dapat disintesis oleh infiltrasi larutan besi klorida.

Pada proses ini tidak dipaksa untuk supersaturasi terlebih dahulu.