Powered By Blogger

Rabu, 23 November 2011

PENGENALAN FISIKA MATERIAL

            Fisika Material, mendengar kata tersebut pasti akan terfokus pada dua kata yaitu Fisika dan Material. Artikel ini berisi sekilas tinjauan tentang (dari sudut pandang fisika) jenis material tersebut dan aplikasinya dalam kehidupan umat manusia.
Pertama-tama fisika itu sendiri merupakan ilmu yang mempelajari gejala alam yang tidak hidup atau materi dalam lingkup ruang dan waktu. Fisika sering disebut sebagai "ilmu paling mendasar", karena setiap ilmu alam lainnya (biologi, kimia, geologi, dan lain-lain) mempelajari jenis sistem materi tertentu yang mematuhi hukum fisika. Misalnya, kimia adalah ilmu tentang molekul dan zat kimia yang dibentuknya. Sifat suatu zat kimia ditentukan oleh sifat molekul yang membentuknya, yang dapat dijelaskan oleh ilmu fisika seperti mekanika kuantum, termodinamika, dan elektromagnetika.  Sedangkan ilmu material adalah ilmu yang menyelidiki hubungan antara struktur bahan pada skala atom atau molekul dan sifat mikroskopik mereka. Menggabungkan unsur-unsur fisika terapan dan kimia . Dengan perhatian media yang signifikan difokuskan pada nanosains dan nanoteknologi . Ilmu material juga berhubungan dengan sifat dasar dan karakteristik bahan. Dewasa ini, material dapat dibedakan atas kelompok logam, keramik, polymer, komposit, dan biomaterial.
 Fisika material secara khusus mempelajari dan menyelidiki hubungan antara struktur dan sifat material. Struktur material (dibedakan atas struktur makro, meso dan mikroskopik) berkaitan dengan susunan komponen internal material. Struktur sub-atomik mendeskripsikan perilaku elektron di dalam atom dan interaksinya dengan inti atom. Pada level atomik struktur material meliputi penyusunan atom-atom atau molekul relatif antara yang satu dengan yang lain. Struktur yang lebih besar yang terdiri atas sekumpulan atom disebut struktur mikro (microstructure) dan dapat diamati dengan menggunakan mikroskop elektron (Scanning Elektron Microscopy, SEM) atau Transmission Electron Microscopy, TEM)) (Gambar 1.1a dan 1.1b). Struktur material yang dapat diamati dengan mata kepala disebut struktur makro (macrostructure). 
Di dalam ilmu fisika, sifat (karakteristik) material dapat dipelajari dari berbagai aspek seperti aspek mekanik, optik, listrik, magnetik, thermal, dan daya tahan (terhadap lingkungan fisik atau kimia). Sifat mekanik berkaitan dengan deformasi yang dihasilkan oleh beban atau gaya seperti pada pengukuran modulus elastisitas dan kekuatan tekan (compressive strength). Sifat listrik meliputi antara lain konduktivitas listrik dan konstanta dielektrik bahan. Perilaku thermal dapat dinyatakan misalnya dalam besaran kapasitas panas dan konduktivitas thermal. Sifat magnetik bahan memperlihatkan tanggapan sebuah material terhadap pengaruh medan magnetik, rapat fluks magnetik (B) dan magnetisasi (H), kurva B-H, serta untai (loop) histeresis bahan. Sifat optik antara lain meliputi perilaku bahan terhadap radiasi gelombang elektromagnetik seperti indeks bias, daya pantul, daya transmisi, dan daya absorpsi. Sifat deteriorasi menunjukkan reaktivitas bahan terhadap pengaruh lingkungan fisik (udara dan sinar matahari) dan bahan kimia.
Material solid secara umum dibagi ke dalam lima jenis, yaitu logam, keramik, polimer, semikonduktor dan komposit. Apabila pengklasifikasiannya didasarkan pada jenis ikatan antar atomnya, maka hanya akan terdapat material – material yang termasuk ke dalam kelompok logam, keramik, dan polimer. Apabila klasifikasi material ditinjau dari kemampuan konduktivitasnya maka akan terdapat tambahan: golongan material semikonduktor. Ditinjau dari segi struktur, terdapat jenis material tambahan yaitu material komposit.
A.    Klasifikasi fisika Material:
1.      Logam
            Material – material dalam kelompok ini disusun oleh satu atau lebih unsur logam (misalnya besi, alumunium, tembaga, titanium, emas, dan nikel), dan juga seringkali mengandung unsur non logam (misalnya karbon, nitrogen dan oksigen) dalam jumlah yang relatif kecil. Atom – atom pada logam dan paduannya mempunyai ciri – ciri tersusun secara sangat teratur, dan apabila dibandingkan dengan keramik dan polimer susunan antar atom – atomnya cenderung lebih rapat. Karakteristik susunan antar atomnya yang khas ini, kemudian disebut sebagai ikatan logam. Material logam memiliki nilai elektron bebas yang tinggi, dimana berarti terdapat sejumlah besar elektron yang tidak terikat pada inti atom sehingga bisa bergerak bebas. Sifat – sifat dari material logam yang khas ini dapat dijelaskan melalui karakterisitik elektronnya tersebut. Yang paling utama, yaitu apabila diamati dari sifat logam yang merupakan penghantar listrik dan panas yang baik. Selain itu susunan atom material logam yang teratur membuatnya tidak mampu ditembus oleh cahaya sehingga tidak tembus pandang seperti halnya kaca. Permukaan material logam akan mengkilap apabila dipoles. Sebagai tambahan, beberapa jenis logam (Fe, Co, Ni) juga memiliki sifat magnetik yang kuat.
            Mengenai sifat mekaniknya, material logam cenderung bersifat cukup kaku dan kuat, ulet (ductile = dapat mengalami deformasi atau perubahan bentuk tanpa mengalami patah) sehingga punya kemampuan mampu dibentuk (formability) yang baik (misalnya melalui penempaan, pengerolan, dll), dan mampu menerima pembebanan secara tiba – tiba tanpa mengalami patah (shock resistance). Sifat – sifat tersebut membuat logam mempunyai jangkauan aplikasi yang sangat luas dalam dunia industri hingga saat ini.
2.      Keramik
            Keramik merupakan perpaduan antara unsur – unsur logam dan non logam yang kemudian membentuk suatu senyawa yang umumnya termasuk ke dalam jenis oksida, nitride, dan karbida. Sebagai contoh, beberapa keramik yang umumnya dikenal yaitu alumunium oksida (alumina atau Al2O3), silicon dioksida (silika atau SiO2), silicon karbida (SiC), silikon nitride (Si3N4). Sebagai tambahan, juga terdapat beberapa material keramik yang termasuk ke dalam kelompok keramik tradisional seperti mineral – mineral, lempung, cement, batu bata, dan kaca. Grafit dan intan juga dimasukkan ke dalam kelompok keramik. 
            Keramik biasanya dihubungkan dengan istilah “ikatan campuran”-sebuah kombinasi dari ikatan kovalen, ionic, dan terkadang metalik. Terdiri dari deretan atom – atom yang saling berhubungan satu sama lain, dan tidak ada molekul yang terpisah. Karakteristik ini membedakan keramik dari padatan molekular, seperti kristal iodine (tersusun dari molekul I2 yang terpisah) dan paraffin wax (tersusun oleh rantai panjang molekul alkana). Selain itu es, dimana tersusun dari molekul terpisah H2O, juga termasuk ke dalam kelompok ini walaupun memiliki perilaku seperti keramik. 
Ikatan ionik dan kovalen menyebabkan keramik mempunyai titik lebur tinggi dan bersifat isolator
Keramik terdiri dari :
·         Keramik tradisional, disusun oleh tanah liat, silika dan feldspar. Cth. bata, ubin, genteng dan porselen.
·         Keramik murni atau teknik, disusun oleh senyawa murni.
Sifat mekanik dari material keramik adalah kaku, kuat dan sangat getas atau rapuh (brittle)

3.      Polimer
            Polimer merupakan molekul makro yang dibentuk oleh atom – atom yang terikat secara kovalen membentuk suatu satuan molekul yang disebut mer, dan kemudian satuan molekul ini tersambung dengan kelompok – kelompok mer sejenis yang lain, membentuk suatu rantai yang panjang dan berulang. Sebagian besar polimer merupakan senyawa organik berbasis karbon, hydrogen, dan unsur – unsur non metal lainnya seperti sulfur/belerang (S) dan klorin (Cl). Karakteristik Ikatan antar rantai molekul polimer sangat mempengaruhi karakteristiknya. Struktur cross linking (ikatan silang) dari rantai polimer merupakan kunci dari proses vulkanisasi yang dapat mengubah karet alam yang awalnya belum memiliki fungsi aplikasi menjadi produk yang berguna dalam ekhidupan sehari – hari seperti misalnya ban mobil yang membuat bepergian dengan sepeda menjadi lebih nyaman. Istilah polimer dan plastik seringkali dipertukarkan. Padahal sebenarnya, plastik merupakan kombinasi dari polimer – polimer yang biasanya juga diberi bahan tambahan lain untuk memenuhi kemampuan dan penampilan yang diinginkan. Berikut ini contoh dari Polimer :
4.      Semikonduktor
            Semikonduktor merupakan satu-satunya kelas material yang dibedakan berdasarkan sifatnya. Material ini biasanya didefinisikan sebagai material yang memiliki konduktivitas listrik pertengahan, antara konduktor yang baik dan insulator. Konduktivitasnya sangat tergantung dari banyak sedikitnya jumlah bahan pengotor/tambahan pada bahan yang mana hal inilah yang menjadi kunci pembuatan produk IC (integrated circuit).
5.      Komposit
            Aplikasi lain dari ilmu material di industri pembuatan material komposit . Material komposit adalah bahan terstruktur terdiri dari dua atau lebih fase makroskopik. Aplikasi berkisar dari elemen-elemen struktural seperti baja-yang diperkuat beton, dengan ubin termal insulative yang memainkan peran kunci dan integral dalam NASA perlindungan Jemput sistem Ruang termal yang digunakan untuk melindungi permukaan pesawat dari panas masuk kembali ke dalam atmosfer bumi. Salah satu contoh adalah Diperkuat Karbon-karbon (RCC), Materi abu-abu terang yang tahan masuk kembali suhu sampai 1510 ° C (2750 ° F) dan melindungi tepi sayap Space Shuttle terkemuka dan topi hidung. RCC adalah material komposit laminasi terbuat dari grafit rayon kain dan diresapi dengan resin fenolik . Setelah curing pada suhu tinggi dalam autoklaf, laminasi adalah pyrolized untuk mengubah resin untuk karbon, diresapi dengan alkohol furfural dalam ruang vakum, dan sembuh / pyrolized untuk mengubah furfural alkohol karbon. Dalam rangka memberikan ketahanan oksidasi untuk kemampuan menggunakan kembali, lapisan luar RCC akan dikonversi ke silikon karbida .
            Contoh lain dapat dilihat di "plastik" casing set televisi, sel-telepon dan sebagainya. Ini casing plastik biasanya material komposit terdiri dari matriks termoplastik seperti akrilonitril-butadiena-stirena (ABS) di mana kalsium karbonat kapur, bedak , kaca serat atau serat karbon telah ditambahkan untuk menambah kekuatan, massal, atau elektro-statis dispersi. Penambahan ini dapat disebut sebagai serat penguat, atau dispersan, tergantung pada tujuan mereka.

Ilmu material meliputi berbagai kelas bahan, masing-masing yang mungkin merupakan bidang yang terpisah. Bahan kadang-kadang diklasifikasikan dengan jenis ini ikatan antara atom : (1). Kristal ionik, (2). Kovalen kristal, (3) Logam, (4). Intermetallics, (5). Semikonduktor, (6) Polimer, (7). Bahan komposit, (8).Vitreous bahan.

B.     Sifat – sifat Material
Material dalam pengunanya dikenakan gaya atau beban. Karena itu perlu diketahui kharater material agar deformasi yg terjadi tidak berlebihan dan tidak terjadi kerusakan atau patah .
Karakter material tergantung pada:
a.       Komposisi kimia
b.      Struktur mikro
c.       Sifat material: sifat mekanik, sifat fisik dan sifat kimia.
Sifat – Sifat material :
·         Sifat Mekanik  : Elastisitas, Strength,  patahan dsb.
·         Sifat  Elektrik  : Konduktivitas, Resistivitas
·         Sifat Magnetik : Paramagnetik, Diamagnetik, Ferromagnetik
Sifat dielektrik  : Polarisasibilitas, Kapasitansi, Ferroelektrik, Piezoelektrik.


C.    Aplikasi Material
Sains dan rekayasa material merupakan fondasi utama perkembangan teknologi modern, baik untuk aplikasi struktural, elektronik, thermal, elektrokimia, lingkungan, biomedis dan lain sebagainya.  Sejarah peradaban manusia berevolusi dari zaman batu ke zaman perunggu, zaman besi, zaman baja (steel), hingga zaman elektronika yang beriringan dengan zaman penjelajahan ruang angkasa. Setiap zaman dicirikan dengan kehadiran material tertentu. Zaman besi misalnya menghasilkan berbagai peralatan atau perkakas untuk keperluan hidup manusia. Zaman penjelajahan ruang angkasa mendorong penemuan berbagai material struktural (komposit) yang tahan panas, kuat sekaligus ringan. Zaman elektronika ditandai dengan kemajuan di bidang jenis material dan aplikasi semikonduktor.
            Rekayasa material dipelajari dengan maksud untuk menyelidiki dan mendesain berbagai jenis aplikasi bahan dengan mempertimbangkan tiga kriteria dasar, yakni:
  1. Kondisi bahan pada saat pemakaian
  2. Sifat deteriorasi bahan, dan
  3. Nilai ekonomi bahan
Dengan memperhatikan tiga kriteria tersebut diharapkan dapat menghasilkan suatu bahan yang memiliki nilai guna dan ekonomi yang tinggi dengan bahan dasar yang minimal. Yang dapat membantu kehidupan umat manusia.  Berikut merupakan contoh  penggunaan aplikasi fisika material dalam tekhnologi :
(a)   Aplikasi Struktural
Aplikasi struktural adalah aplikasi yang membutuhkan material dengan unjuk kerja (performance) mekanik yang baik seperti kekuatan, kekakuan dan kemampuan menahan getaran, baik ketika material tersebut terbebani maupun tidak. Ketika material terbebani (dalam keadaan terpakai), informasi mengenai sifat mekanik secara akurat sangat diperlukan.
            Aplikasi struktural ditemukan pada pembangunan gedung, jembatan, jalan raya, pesawat terbang, kereta api, mobil, mesin, satelit, raket tennis, perabot rumah dan lain sebagainya.
            Selain sifat mekanik, material struktural juga dirancang untuk memiliki sifat yang lain, seperti massa jenis yang kecil (ringan) agar menghemat bahan bakar pada pesawat terbang dan mobil, dan untuk kecepatan tinggi pada sepeda balap. Sifat lain yang tak kalah pentingnya adalah resistansi korosi dan kemampuan untuk menahan suhu tinggi atau siklus thermal yang ekstrim ketika material dalam keadaan terpakai.
(b)   Aplikasi Elektronik
Aplikasi elektronik meliputi aplikasi kelistrikan, optik, dan kemagnetan karena sifat listrik, optik dan magnet umumnya ditentukan perilaku elektron. Aplikasi kelistrikan dimanfaatkan untuk komputer, divais elektronika, rangkaian listrik, divais thermolistrik, piezoelektrik, robotik, mesin mikro, dan lain sebagainya. 
Aplikasi optik berkaitan dengan laser, sumber cahaya, serat optik (material dengan daya serap optik kecil untuk komunikasi dan penginderaan), absorber, pemantul dan transmisi radiasi elektromagnetik, fotografi, fotocopy, penyimpan data optik, holografi, dan pengendali warna.
            Aplikasi magnetik berkaitan dengan transformator, perekam magnetik, memori komputer magnetik, sensor medan magnetik, pelindung magnetik, kereta levitasi magnetik, penjejak magnetik untuk partikel, penyimpan energi magnetik, magnetic resonance imaging, dan spektrometer massa.   
            Perlu dicatat bahwa untuk aplikasi elektronik, semua jenis material memberikan andil yang signifikan. Material semikonduktor merupakan jantung elektronika dan divais optoelektronika. Logam digunakan sebagi kabel penghubung, konektor, kontak listrik, dan sebagainya. Polymer digunakan sebagai bahan dielektrik dan pembungkus kabel. Keramik dipakai sebagai bahan kapasitor, divais thermolistrik, divais piezoelektrik, dan serat optik.
(c)    Aplikasi Thermal
Aplikasi thermal meliputi perpindahan panas, baik secara konduksi, konveksi atau radiasi. Perpindahan panas diperlukan pada pemanasan dan pendinginan gedung, proses industri seperti sintering, casting dan annealing, lemari pendingin untuk makanan dan minuman, pendinginan divais elektronika, dan lain sebagainya.
Perpindahan panas dapat diperoleh dengan penggunaan lebih dari satu mekanisme. Sebagai contoh, konduksi dan konveksi paksa digunakan ketika sebuah fluida dipaksa mengalir melewati pori-pori zat padat yang bersifat konduktor thermal.
Konduksi thermal melibatkan peran elektron, ion, dan/atau fonon. Elektron dan ion bergerak dari titik bertemperatur tinggi ke titik bertemperatur rendah dan karena itu memindahkan energi panas. Fonon merupakan vibrasi (getaran) kisi kristal yang juga memindahkan energi panas. Konduksi di dalam logam ditentukan oleh jumlah elektron bebas pada kulit terluar atom penyusunnya. Untuk material intan, proses konduksi diatur oleh fonon, karena elektron bebas tidak tersedia, dan nomor atom karbon (C) yang kecil memperbesar vibrasi kisi. Sebaliknya, polimer merupakan konduktor panas yang buruk kerena elektron bebas tidak tersedia dan ikatan kimia sekunder (gaya Van der Waals) antara molekul sangat lemah sehingga sulit bagi fonon untuk bergerak dari molekul yang satu ke molekul lainnya. Keramik, di lain pihak, cenderung lebih konduktif daripada polimer, dan gerakan elektron dan/atau ion berperan pada konduksi thermal.
(d)   Aplikasi Lingkungan
Aplikasi lingkungan berkaitan dengan perlindungan lingkungan dari polusi. Perlindungan tersebut dapat berupa pengeluaran pencemar (pollutant) atau pengurangan jumlah pencemar yang dikeluarkan. Pengeluaran dapat dilakukan dengan cara ekstraksi dari permukan zat padat (misalnya dengan karbon aktif). Pencemar dapat dikurangi dengan mengganti material dan atau proses yang digunakan di dalam industri misalnya dengan material biodegradable (material yang dapat terdegradasi secara alami), dengan material yang dapat didaur ulang, atau dengan mengganti sumber energi dari bahan bakar fosil ke baterai, sel surya dan/atau hidrogen.
            Selama beberapa dekade material yang dikembangkan untuk aplikasi struktural, elektronika, thermal dan aplikasi lainnya tidak banyak mempertimbangkan masalah pembuangan dan daur ulang. Dewasa ini disadari bahwa pertimbangan tersebut mesti diambil pada saat pegembangan desain. Material untuk adsorpsi merupakan inti pengembangan material untuk aplikasi lingkungan. Material ini meliputi karbon, zeolit, aerogel dan material berpori lainnya. Kualitas yang diinginkan meliputi kapasitas adsopsi yang besar, ukuran pori yang cukup besar relatif terhadap ukuran molekul dan ion yang akan diserap dapat dibersihkan setelah dipakai.
(e)    Aplikasi Biomedis
Aplikasi biomedis berkaitan dengan diagnosa dan kondisi perlakuan, penyakit, cacad, serta pencegahannya. Hal ini meliputi implantasi (tulang pinggul, katup jantung, kulit, dan gigi), divais operasi dan diagnosa, alat pemacu jantung, elektroda untuk mengumpulkan dan mengirimkan signal optik atau listrik ke dalam tubuh, kursi roda, dan instrumen untuk diagnosa dan analisis kimia (misalnya analisa darah dan air seni). Material implantasi sangat menantang karena material tersebut harus bersifat biocompatible (misalnya terhadap darah), tahan karat, tahan gesekan, dan tidak mudah aus.

Tidak ada komentar:

Posting Komentar