LAPORAN-PRAKTIKUM Komputasi Atom [PDF]

Citation preview

LAPORAN PRAKTIKUM KOMPUTASI ATOM DAN INTI SIMULASI MD TITIK LELEH LOGAM DENGAN LAMMPS



Oleh : Siti Mutma’inah (131810201036)



JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS JEMBER 2016



PENDAHULUAN Dinamika molekuler salah metode komputasi material yang handal untuk memprediksi sifat-sifat fisis termodinamik padatan, cairan dan gas. Dengan metode dinamika molekuler gerak atom-atom dan hasil perubahan wujud zat dapat dipelajari dan divisualisasikan dengan sangat baik dan informatif karena mampu menggambarkan susunan atom-atom bahan selama proses transisi fase berlangsung, dimana hal ini gerak atom susah diamati secara eksperimen. Umumnya dinamika molekuler menggunakan teknik persamaan Hukum Newton dan mekanika klasik. Titik leleh adalah temperatur dimana zat padat berubah wujud menjadi zat cair pada tekanan satu atmosfer yaitu suhu ketika fase padat dan cair sama-sama berada dalam kesetimbangan. Praktikum dilakukan dengan menggunakan metode MD (Molecular Dynamics). Dengan metode MD gerak atom-atom bahan jika mengalami pengaruh dari luar seperti akibat pemanasan, dapat diamati dari waktu ke waktu. Secara ringkas metode MD membutuhkan informasi koordinat awal atom, kondisi simulasi (temperatur, tekanan, rapat partikel, dan lain-lain), fungsi potensial interaksi antar atom untuk obyek yang akan disimulasikan dan spesifikasi obyeknya. Semakin akurat fungsi potensial yang menggambarkan interaksi antar partikel, atom dan molekul, maka semakin akurat hasil simulasi yang didapatkan. Dalam metode simulasi ini menggunakan beberapa progam dinamika molekul, yaitu progam LAMMPS (Large-Scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator) untuk menentukan titik leleh bahan, progam OVITO (Open Visualization Tool) untuk mengetahui struktur bahan ketika bahan mencapai nilai titik leleh. Input data dari suatu bahan yaitu struktur kristal bahan, massa atom bahan, kristal lattice bahan dan rentang suhu selama simulasi. Struktur bahan ketika mencapai suhu titik leleh dapat diamati menggunakan progam OVITO yang menggunakan input dari simulasi dengan menggunakan progam LAMMPS.



METODE PENELITIAN Alat dan bahan yang digunakan pada praktikum “Simulasi MD Titik Leleh Logam dengan LAMMPS” adalah komputer yang diinstal prosesor windows, progam LAMMPS untuk menentukan titik leleh bahan, dan progam OVITO untuk mengamati struktur bahan ketika mencapai titik leleh. Langkah kerja dari praktikum adalah menentukan input masukan dalam simulasi, input masukan yang digunakan adalah struktural kristal (posisi), konstanta kisi, massa atom, dan suhu simulasi. Kemudian disimulasi dengan progam LAMMPS, hasil dapat diperoleh dalam bentuk format txt dan dibuka melalui progam Microsoft Office Excel dan grafik dapat dianalisa melalui perubahan suhu terhadap energi potensial. Melalui grafik akan ditemukan besaran fisik yang ditentukan nilai titik lelehnya. Analisa titik leleh bahan dengan kurva perubahan fase bahan. Kemudian disimulasi dengan progam OVITO (uji struktur bahan), analisa struktur kristal bahan dengan mengaktifkan fasilitas CNA (Common Neighbor Analysis). Setelah itu diamati perubahan struktur kristal bahan sebelum dan sesudah mengalami kerusakan.



HASIL DAN PEMBAHASAN Data-data hasil simulasi meliputi step integtasi, temperatur, energi potensial, energi total, struktur kristal, massa atom sesuai dengan script input. Pada penelitian ini simulasi dijalankan dalam 50000 step integrasi dengan algoritma Verlet. Untuk mengetahui titik leleh logam, maka dapat dibuka file log.lammps kemudian dibuat plot data temperatur T (sumbu horizontal) dengan energi total sistem ET (sumbu vertikal). Grafik T terhadap E T dapat dilihat pada gambar 1.



T (C) -2400 -2500400



900



1400



1900



2400



-2600 ET -2700 -2800 -2900 -3000 Axis Title



Gambar 1. Grafik antara temperatur (T) terhadap Energi total (ET) Pada simulasi ini bahan diberikan panas yang semakin meningkat sampai tercapai perubahan fase bahan padat menjadi cair. Nilai titik leleh adalah suhu yang teramati ketika zat padat mulai meleleh menjadi cair sampai semua partikel



berubah menjadi cair. Ketika bahan berupa wujud padat struktural kristal bahan akan berpola dan teratur, tetapi ketika bahan setelah dipanaskan maka ato – atom bergerak sehingga berubah dan tidak teratur. Ketika struktur kristal bahan sudah tidak teratur maka fase bahan sudah mencair. Perubahan fase dari padat menjadi cair dapat digambarkan lebih informatif berdasarkan gambaran struktur mikroskopik material, yaitu dengan melihat posisi atom – atom penyusun material. Struktur bahan diketahui meleleh sempurna jika jumlah kristal FCC/BCC bahan adalah nol atau bahan sudah hancur meleleh semuanya. Dengan menggunakan progam OVITO maka dapat dilihat berapa jumlah kristal FCC/BCC pembentuk bahan dengan mengaktifkan fasilitas CNA. Metode CNA adalah salah satu metode untuk mengetahui karakteristik suatu struktur bahan berdasarkan atom – atom bahan yang kemudian memprediksi bentuk struktur yang menyusun bahan. Metode telah banyak digunakan untuk mengetahui struktur kristal bahan. CNA membaca grafik koordinat dari atom dengan atom tetangga yang terikat oleh energi ikat dari atom pusat. Dengan progam OVITO dapat dianalisis secara komputasi 12 tetangga terdekat untuk sebuah struktur FCC dan 14 tetangga terdekat untuk sebuah struktur BCC.



Software OVITO menggunakan informasi koordinat dari setiap perubahan gerak atom penyusun bahan berupa koordinat gerak trayektori untuk penggambaran struktur setiap step. Dengan menggunakan progam OVITO maka koordinat gerak trayektori juga dapat menunjukkan evaluasi struktur bahan untuk setiap step simulasi. Dalam simulasi memeberikan hasil file dalam bentuk dump file terdapat nilai koordinat dalam sumbu XYZ dari komposisi penyusun atom – atom bahan selama simulasi berlangsung. File dump memberikan informasi titik koordinat dari setiap perubahan gerak atom penyusun bahan berupa koordinat format untuk sumbu XYZ. Keadaan struktur kristal bahan logam pada suhu awal yang dapat ditinjau dari empat gambar yaitu gambar a, b, c dan d. Gambar a menunjukkan Visualisasi struktur bahan logam ditinjau dari atas atau dilihat dari sumbu koordinat X-Y. Gambar b menunjukkan Visualisasi struktur bahan logam ditinjau dari depan atau dilihat dari sumbu koordinat X-Z. Gambar c menunjukkan



Visualisasi struktur bahan logam ditinjau dari samping kiri atau dilihat dari sumbu koordinat Y-Z. Dan Gambar d menunjukkan Visualisasi struktur bahan logam ditinjau dari perspektiv atau dilihat dari sumbu koordinat X-Y-Z. Dari keempat gambar tersebut dapat dilihat nilai dari FCC 100% dan nilai dari BCC 0%. Hal ini menunjukkan bahwa struktur bahan masih dalam keadaan wujud padat dan masih belum dipanaskan, sehingga atom penyusunnya teratur.



(a)



(b)



(c) (d) Gambar 3. Visualisasi struktur kristal setelah pemanasan Pada progam LAMMPS, input data yang digunakan yaitu dari 50000 sehingga tampilan pada OVITO juga akan berubah. FCC dan BCC juga berubah karena mengalami pergerakan atom setelah dipanaskan. Keadaan struktur kristal bahan logam pada input data 50000 juga dapat ditinjau dari empat gambar yaitu gambar a, b, c dan d. Gambar a menunjukkan Visualisasi struktur bahan logam ditinjau dari atas atau dilihat dari sumbu koordinat X-Y. Gambar b menunjukkan Visualisasi struktur bahan logam ditinjau dari depan atau dilihat dari sumbu koordinat X-Z. Gambar c menunjukkan Visualisasi struktur bahan logam ditinjau dari samping kiri atau dilihat dari sumbu koordinat Y-Z. Dan Gambar d menunjukkan Visualisasi struktur bahan logam ditinjau dari perspektiv atau dilihat



dari sumbu koordinat X-Y-Z. Dari keempat gambar tersebut dapat dilihat nilai dari FCC 100% dan nilai dari BCC 0%. Hal ini menunjukkan bahwa struktur bahan masih dalam keadaan wujud padat dan masih belum dipanaskan, sehingga atom penyusunnya teratur



KESIMPULAN Berdasarkan praktikum yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa struktur kristal dari bahan akan mengalami kerusakan ketika telah mencapai titik lelehnya. Kerusakan tersebut dapat dilihat dari ketidakberaturan struktur yang terbentuk. Program LAMMPS dan OVITO dapat digunakan untuk mengamati struktur kristal bahan secara detail.