Latihan 1 (Final Exam) NanoMaterial [PDF]

Citation preview

LATIHAN I Total (100 poin) Bagian 1 Jawablah pertanyaan-pertanyaan berikut (Total skor 50 poin, 5 poin untuk setiap pertanyaan, 2 buah pertanyaan sebagai bonus): 1. Jelaskan dengan apa yang dimaksud dengan Nanomaterial? Nanomaterial merupakan material yang mempunyai ukuran dalam skala nanometer yaitu berkisar antara 1-100 nm 2. Sebutkan tiga jenis dan bentuk dari nanomaterial? a. Nol dimensi



= Nanopartikel (oksida logam, semikonduktor, fullerenes)



b. Satu dimensi = Nanotubes, nanorods, nanowires c. Dua dimensi



= Thin films (multilayer, monolayer, self-assembled, mesoporous)



d. Tiga dimensi = Nanokomposit, nanograined, mikroporous, mesoporous, interkalasi, organi anorganik hybrids. 3. Sebutkan tiga jenis aplikasi dari nanomaterial? Di bidang kesehatan, lingkungan hidup, elektronika. 4. Material berukuran nano memiliki sifat-sifat yang khas dan unik, sebutkanlah salah satu contohnya?  Sifat elektrik = Nanomaterial dapat mempunyai energi lebih besar dari pada material ukuran biasa karena memiliki surface area yang besar. Energy band secara bertahap berubah terhadap orbital molekul.  Sifat magnetic = Kekuatan magnetik adalah ukuran tingkat kemagnetan. Tingkat kemagnetan akan meningkat dengan penurunan ukuran butiran patikel dan kenaikan spesifik surface area per satuan volume partikel. Sehingga nanopmeterial memiliki sifat yang bagus dalam peningkatan sifat magnet.  Sifat mekanik = Nanomaterial memiliki kekerasan dan tahan gores yang lebih besar bila dibandingkan dengan material dengan ukuran biasa.  Sifat optik



= Sistem nanokristalin memiliki sifat optikal yang menarik, yang mana berbeda



dengan sifat kristal konvensional. Kunci peyumbang faktor masuknya quantum tertutup dari pembawa elektrikal pada nanopartikel, energi yang efisien dan memungkinkan terjadinya pertukaran karena jaraknya dalam skala nano serta memiliki sistem dengan interface yang tinggi.  Sifat kimia



= Merupakan faktor yang penting untuk aplikasi kimia nanomaterial yaitu



penambahan surface area yang mana akan meningkatkan aktivitas kimia dari material tersebut.



5. Jelaskan perbedaan dari pendekatan bottom-up dan top-down dalam produksi bahan nanomaterial? bottom up = Penggabungan atom-atom atau molekul-molekul menjadi partikel yang berukuran lebih besar. top down = Merupakan pembuatan struktur yang kecil dari material yang berukuran besar. 6. Sebutkan salah satu tantangan dalam teknik pembuatan dan pemrosesan nanomaterial? Self assembly adalah fenomena di mana komponen-komponen dari suatu sistem merakit diri sendiri dengan spontan melalui suatu interaksi untuk membentuk suatu unit yang lebih besar. Tantangan terbesar dari teknik self assembly ini adalah bagaimana menjaga dan mengatur agar pembentukan supramolekul terarah seperti yang diinginkan, karena proses ini secara garis besar terjadi tanpa campur tangan manusia. 7. Selain ukurannya yang kecil, sebutkan setidaknya dua karakteristik lain yang dimiliki oleh nanomaterial?  Nanomaterial memiliki surface area yang besar daripada material awalnya. Hal ini dapat meningkatkan reaktifitas kimia dan meningkatkan kekuatan sifat elektronik,  Efek kuantum yang mendominasi bahan nanoscale terutama pada pengaruh optikal dan sifat magnetik material. 8. Apakah peran dari agen pereduksi/reduktor (reducing agent) dalam ukuran partikel nano yang disiapkan dari larutan dengan menggunakan proses sintesis kimia? Untuk mereduce ukuran melalui proses reduksi 9. Sebutkan kelebihan dan kekurangan dalam penggunaan metode ALD untuk memproduksi thin films?  Kelebihan Menggunakan ALD  ketebalan film hanya bergantung pada jumlah siklus reaksi, yang membuat kontrol ketebalan yang akurat dan sederhana.  berbagai macam bahan film yang tersedia, kepadatan tinggi dan tingkat kenajisan rendah.  suhu deposisi yang lebih rendah dapat digunakan dalam agar tidak mempengaruhi substrat sensitive  kekurangan menggunakan ALD  kelambatan; biasanya hanya sebagian kecil dari monolayer disimpan dalam satu siklus  beberapa multi-komponen oksida, logam tertentu) saat ini tidak dapat disimpan oleh ALD dengan cara yang hemat biaya.  selalu ada risiko residu yang tersisa dari prekursor. Isi pengotor dari film tergantung pada kelengkapan reaksi.



10. Apakah perbedaan dari komposit nano (Nanocomposite) dan komposit pada umumnya (conventional composite)? Perbedaannya terdapat pada sifat mekanik, listrik, optik, elektrokimia, katalis, dan struktur dibandingkan dengan material penyusunnya. 11. Sebutkan dua jenis aplikasi dan penerapan dari polimer komposit nano?  Sebagai material untuk kemasan pangan  Sebagai nano anti bakteri



12. Sebutkan salah satu potensi penerapan teknologi nano (nanotechnology) dalam penanganan air limbah! Nano Filter air untuk pengolahan air limbah industry dengan cara pemisahan fluida yang berbeda.



Bagian 2 Penemuan karbon dalam bentuk yang baru, yaitu fullerenes dan carbon nanotubes merupakan titik balik dalam nanomaterial dan nanoteknologi; Jawablah pertanyaan-pertanyaan berikut (Total skor 25 poin, 5 poin untuk setiap pertanyaan, dan 2 buah pertanyaan sebagai bonus): 1. Apakah perbedaan antara carbon nanotube dan carbon fiber? Carbon nanotube = salah satu struktur carbon yang berbentuk seperti silinder dengan diameter dalam orde nanometer. Carbon fiber



= bahan yang terdiri dari serat yang sangat tipis sekitar 0,005-0,010 mm dan sebagian besar



terdiri dari atom karbon.



2. Apa yang menjadikan carbon nanotube istimewa (dari segi struktur)? kekakuan dan kekuatannya yang luar biasa. 3. Carbon nanotube memiliki karakteristik fisik dan kimiawi yang khas, berikan 2 buah contoh dari karakteristik tersebut? Fisik  Terdapat dua jenis nanotube yaitu single-walled carbon nanotube ( SWNT ) dan multi-walled carbon nanotube (MWNT).Seperti namanya, jenis pertama terdiri dari silinder graphene tunggal, sedangkan MWNT memiliki lebih dari satu silinder graphene.  Beberapa sifat unik ini memanifestasi dalam kekuatan tarik tinggi, konduktivitas termal yang tinggi, dan ketahanan yang tinggi. Kimia  Karakteristik unik material ini antara lain terdapat pada ikatan sp2 yang mengikat molekul, struktur satu dimensi, bentuk, dan ukuran.



4. Jelaskan proses dan cara membuka carbon nanotube (sebutkan salah satu proses). Metode pencahayaan kuat oleh laser (Laser ablation) Metode ini dibuat pertama kali oleh Richard Smalley, Dalam teknik ini, digunakan sebuah sinar laser berdaya tinggi yang mengenai grafit dalam tungku bersuhu tinggi. Sebelum ditembak oleh laser, grafit tersebut haruslah dilapisi logam katalis. Metode ini bisa menghasilkan CNT berdinding tunggal yang memiliki diameter cukup besar untuk ukuran CNT, yaitu > 1.2 nanometer. 5. Apakah perbedaan antara carbon nanotube dengan single wall dan multi wall didalam proses sintesis (dengan menggunakan metode Arc)? Single Walled Nanotubes (SWNT) Struktur ini memiliki diameter kurang lebih 1 nanometer dan memiliki panjang hingga ribuan kali dari diameternya. Struktur SWNT dapat dideskripsikan menyerupai sebuah lembaran panjang struktur grafit (disebut graphene) yang tergulung. Umumnya SWNT terdiri dari dua bagian dengan properti fisik dan kimia yang berbeda. Bagian pertama adalah bagian sisi dan bagian kedua adalah bagian kepala. SWNT memiliki beberapa bentuk struktur berbeda yang dapat dilihat bilamana struktur tube dibuka. Multi Walled Nanotubes (MWNT) MWNT dibentuk dari beberapa lapisan struktur grafit yang digulung membentuk silinder. Atau dapat juga dikatakan MWNT tersusun oleh beberapa SWNT dengan berbeda diameter. MWNT jelas memiliki sifat yang berbeda dengan SWNT. Pada MWNT yang hanya memiliki 2 lapis dinding (Double-Walled Carbon Nanotubes DWNT).memiliki sifat yang penting karena memiliki sifat yang menyerupai SWNT dengan chemical resistance yang lebih baik. Hal ini dikarenakan pada SWNT hanya memiliki 1 lapis dinding sehingga bilamana terdapat ikatan C=C yang rusak maka akan menghasilkan lubang di SWNT dan hal ini akan mengubah sifat mekanik dan elektrik dari ikatan SWNT tersebut. Sedangkan pada DWNT masih terdapat 1 lapisan lagi di dalam yang akan mempertahankan sifatnya. 6. Apakah keunggulan dari penggunaan Laser Vaporization dalam proses penyiapan carbon nanotube? Metode ini menghasilkan nanotube karbon berdinding tunggal dengan efisiensi yang luar biasa tinggi (relatif terhadap karbon evaporated) dan kerapatan cacat yang luar biasa rendah. 7. Sebutkan salah satu aplikasi dan penerapan dari carbon nanotube? baterai kertas Baterai kertas adalah baterai hasil rekayasa yang menggunakan kertas-lembaran tipis selulosa (yang merupakan unsur utama dari kertas biasa) yang disisipi dengan blok CNT. Nanotube bertindak sebagai elektroda sehingga memungkinkan perangkat penyimpanan menghantarkan listrik. Baterai dapat berfungsi sebagai baterai lithium-ion dan supercapacitor karena mampu memberikan output daya yang



lebih stabil dibandingkan dengan baterai konvensional, dan semburan energi yang lebih tinggi, selain itu baterai konvensional secara umum mengandung komponen, berbeda dengan baterai kertas CNT yang mampu mengintegrasikan seluruh komponen energi dalam struktur tunggal hal ini lebih hemat energi.



Bagian 3 Mikroskop elektron dan Scanning Probe Microscopy (SPM) memainkan peranan penting dalam karakterisasi nanomaterial. Jawablah pertanyaan sebagai berikut (Total skor 25 poin, 5 poin untuk setiap pertanyaan, dan 2 buah pertanyaan sebagai bonus): 1. Informasi apa yang bisa didapatkan dari mikroskop pemindai elektron (SEM)? SEM merupakan alat yang digunakan untuk mengkarakterisasi nanomaterial. Beberapa hal yang dikarakterisasi yaitu permukaan material tersebut. Jadi, setelah material diamati dengan SEM ini maka akan diperoleh bagaimana bentuk permukaan material tersebut. 2. Ilustrasi backscattered electron image dan elektron sekunder (secondary electron image) digunakan pada SEM untuk tujuan yang berbeda. Jelaskan dengan singkat mengenai hal ini? Secondary detector, yang berfungsi untuk menangkap informasi mengenai topografi. elektron sekunder menghasilkan topografi dari benda yang dianalisa, permukaan yang tinggi berwarna lebih cerah dari permukaan rendah. Sedangkan backscattered elektron memberikan perbedaan berat molekul dari atom – atom yang menyusun permukaan, atom dengan berat molekul tinggi akan berwarna lebih cerah daripada atom dengan berat molekul rendah. 3. Apakah perbedaan antara AFM dan STM berdasarkan jenis sampel yang digunakan? Perbedaannya terletak pada mekanisme perabaannya. Pada AFM, gaya tarik/tolak antara permukaan sampel dan ujung tip diterjemahkan menjadi informasi morfologi 3D permukaan sampel AFM dapat digunakan untuk sampel yang bersifat konduktor maupun isolator seperti klaster atom dan molekul, makromolekul, dan spesies biologi seperti sel, DNA, dan protein. pada STM, morfologi permukaan sampel diketahui dari besar kecilnya elektron tunneling yang mengalir saat tip mendekati permukaan sampel. Karena STM bekerja dengan berdasarkan arus tunneling, maka sampel pada STM haruslah bersifat konduktor. 4. Apakah perbedaan antara SEM dan TEM berdasarkan jenis sampel yang digunakan?  Pada TEM= sampel yang disiapkan sangat tipis sehingga elektron dapat menembusnya kemudian hasil dari tembusan elektron tersebut yang diolah menjadi gambar.  pada SEM= sampel tidak ditembus oleh elektron sehingga hanya pendaran hasil dari tumbukan elektron dengan sampel yang ditangkap oleh detektor dan diolah. Sampel untuk SEM dapat berupa



padatan, spesimen ruang dari berbagai ukuran yang akan muat dalam ruang spesimen. Sampel umumnya dipasang dengan kuat pada dudukan spesimen yang disebut stub spesimen menggunakan perekat konduktif, namun penjepit mekanik adalah alternatif yang mungkin. 5. SEM memiliki alat pendeteksi X-ray untuk mendeteksi X-ray yang terpancarkan dari sampel. Apakah kegunaan dari proses ini? SEM yaitu Sebagian kecil electron masuk kedalam bahan kemudian memindahkan sebagian besar energy pada electron atom sehingga terpental keluar permukaan bahan. Elektron sekunder selalu diikuti proses munculnya X-ray yang karakteristik untuk setiap elemen sehingga dapat digunakan untuk mengukur kandungan elemen yang ada didalam bahan yang diteliti. 6. Mikroskop elektron dan Scanning Probe Microscopy digunakan secara intensif pada bidang Teknik (engineering) secara luas. Sebutkanlah dua jenis penerapan tersebut?  Mikroskop Elektron : Untuk mempelajari struktur bakteri dan virus, dislokasi dalam logam dan mempelajari dan meneliti permukaan suatu benda  Scanning Probe Microscopy : 7. Dari seluruh alat-alat yang telah dibahas sebelumnya, sebutkan jenis alat yang bisa digunakan untuk mempelajari bidang permukaan pada udara, cairan atau ruang hampa?  SEM



: Pada ruang hampa



 Mikroskop Elektron : Mempelajari bidang permukaan pada udara