UPAYA PEMBUATAN SUPERKONDUKTOR NANO PARTIKEL Yba2CuO7 (YBCO 123) DENGAN REDUKSI GEOMETRI MENGGUNAKAN HIGH ENERGY MILLING (HEM)

BAB I

PENDAHULUAN

       I.            Latar Belakang

Perkembangan teknologi nanomaterial sudah mulai diaplikasikan hampir dalam semua bidang ilmu. Tidak hanya dalam bidang rekayasa material, melainkan juga bidang genetika dan rekayasa kimia. Hal ini disebabkan karena semakin kecil ukuran kristal suatu material maka luas permukaanya akan semakin besar, sehingga material dalam orde nanometer mempunyai jarak antar atom yang sangat kecil yang akan memudahkan terjadinya reaksi antar atom (Af’idah, 2007).

            Dengan luas permukaan yang semakin besar, maka peluang untuk bereaksi lebih besar karena setiap partikel yang bereaksi dengan partikel lain bergantung dari luasan permukaannya, sehingga memberikan energi bebas permukaan yang lebih tinggi untuk nanopartikel dibanding skala bulk, artinya reaksi respon lebih besar dan kinerjanya lebih tinggi. Itu merupakan keunggulan material dalam skala nano dibanding skala bulk (Ridwan, 2005).

Bahan superkonduktor Yba₂CuO₇ (YBCO 123) yang ditemukan pada tahun 1987

jenis superkonduktor bersuhu tinggi, dengan Tc mencapai 92 K yang susunan kristalnya berbentuk tetragonal perovskit dengan rumus ABX3 dan mengandung lapisan  tembaga oksida (Markus Diantoro 98 -99, 2007). Telah diketahui bahwa superkonduktor saat ini sudah banyak pengaplikasiannya, seperti kreta maglev di Jepang dan sebagai kabel listrik.Superkonduktor  Yba₂CuO₇ (YBCO 123) sudah pernah diteliti dengan menggunakan metode evaporasi (Y. Purwamargapratala, dkk.2010 ), metode kopresipitasi ( Yustinus Purwamargapratala 2009 ). Tetapi masih dalam orde mikro. Pada penelitian ini penulis superkonduktor Yba₂CuO₇ (YBCO 123) dengan menggunakan regulasi elektron dan menggunakan metode High Energy Milling (HEM).

            Salah satu metode yang dapat dikembangkan dalam fabrikasi partikel nano Yba₂CuO₇ (YBCO 123)  adalah dengan metode high energy milling (HEM). High energy milling merupakan teknik unik dengan menggunakan energi tumbukan antara bola-bola penghancur dan dinding chamber yang diputar dan digerakkan dengan cara tertentu. Nano partikel dengan cara ini mencapai di bawah 10 nm (Ihsan, Y., 2006).

Keunggulan High Energy Milling adalah dalam waktu yang relatif singkat dapat membuat nano partikel (memerlukan beberapa jam, tergantung tipe alat), dapat membuat nano partikel dalam kondisi atau suasana yang dinginkan saat proses milling, dan juga dapat menghasilkan nano partikel dalam jumlah yang relatif banyak (Rochman, N.T., 2009,). Prosedur penggilingan dengan High Energy Milling adalah serbuk homogen dimasukkan kedalam sebuah chamber logam dengan beberapa bola baja didalamnya yang bergerak berputar terus-menerus.

Diharapkan dengan adanya metode ini memberikan solusi baru pada peneliti untuk meneliti bahan ini secara lanjut, selain itu dengan penelitian bahan superkonduktor Yba₂CuO₇ (YBCO 123)  dengan orde nano memberikan aplikasi baru pada bidang teknologi kususnya.

    II.            Tujuan

Berdasarkan pada uraian pada latar belakang, tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut:

1.      Mensintesis nano material partikel Yba₂CuO₇ ( YBCO 123 ) dengan reduksi geometri mengguanakan High Energy Milling ( HEM ).

2.      Mendapatkan bahan superkonduktor denan ukuran nano, dan mengetahui resistivitas pada suhu yang bervariasi. Kebrhasilan dalam peneelitian ini dimungkinkan dapat membuka peluang bagi peneliti lain untuk melakukan penelitian lebih lanjut sebagai langkah aplikasi.

BAB II

KAJIAN PUSTAKA

Partikel nano Yba₂CuO₇ ( YBCO 123 )     

Perkembangan teknologi nanomaterial sudah mulai diaplikasikan hampir dalam semua bidang ilmu. Tidak hanya dalam bidang rekayasa material, melainkan juga bidang genetika dan rekayasa kimia. Hal ini disebabkan karena semakin kecil ukuran kristal suatu material maka luas permukaanya akan semakin besar, sehingga material dalam orde nanometer mempunyai jarak antar atom yang sangat kecil yang akan memudahkan terjadinya reaksi antar atom (Af’idah, 2007).

Dengan luas permukaan yang semakin besar, maka peluang untuk bereaksi lebih besar karena setiap partikel yang bereaksi dengan partikel lain bergantung dari luasan permukaannya, sehingga memberikan energi bebas permukaan yang lebih tinggi untuk nanopartikel dibanding skala bulk, artinya reaksi respon lebih besar dan kinerjanya lebih tinggi. Itu merupakan keunggulan material dalam skala nano dibanding skala bulk (Ridwan, 2005). Juga material dalam ukuran nanometer memiliki sifat-sifat yang lebih kaya karena menghasilkan beberapa sifat yang tidak dimiliki oleh material ukuran besar. Dan yang sangat menarik adalah sejumlah sifat tersebut dapat diubah-ubah dengan melalui pengontrolah ukuran material, pengaturan komposisi kimiawi, modifikasi permukaan, dan pengontrolan interaksi antar partikel.

Mulai abad milenium atau 2000, riset tentang penelitian nano partikel atau material berukuran nano memasuki babak  yang paling progesif. Berbagai penemuan dalam skala nano terus bermunculan, setiap minggu muncul aplikasi – apalikasi yang menakjubkan, hampir bisa dilihat beberapa artikel atau jornal tentang alat – alat penemuan baru yang berukuran nano, seperti bidang elektronik yang berukuran nano ( pengembangan divais dengan ukuran nanometer ), dalam bidang kedokteran juga telah ditemukan peralatan baru pendeteksi penyakit kanker berdasarkan pada interaksi antar sel kanker dengan partikel berukuran nanometer, dalam bidang kesehatan diciptakan obat – obatan yang berukuran beberapa nano agar cepat larut dalam tubuh dan tidak mengganggu sistem organ lain yang normal, dan sebagainya.

Dalam gagasan penelitian kali ini partikel Yba₂CuO₇ ( YBCO 123 ) penting untuk dilakukan dengan keunggulan biaya produksi yang murah , cepat, sederhana, yang hasilnya lebih baik dari segi morfologi dan mikrostruktur serta kemurnian fasenya dan tingkat keberhasilan sintesis yang tinggi. Seperti yang telah diketahui bahwa Yba₂CuO₇ ( YBCO 123 ) telah diteliti dengan menggunakan metode evaporasi ( Y. Purwamargapratala, dkk, 2010 ), metode kopresipitasi ( Y. Purwamargapratala, 2009 ). Bahan Yba₂CuO₇ ( YBCO 123 ) ini adalah gabungan dari beberapa senyawa yaitu Y₂O₃, BaCO₃, CuO. Untuk reaksi kesetimbangannya yaitu Y₂O₃ + 4 BaCO₃ + 6 CuO              2 YBa₂Cu₃O₇ + 4 CO_2. Yba₂CuO₇ ( YBCO 123 ) ini memiliki struktur kristal dari tetragonal ke ortorombik atau biasanya disebut perovskite. Struktur kristal perovskite yaitu ABX3, maka kation Y dan Ba enempati kedudukan A, Cu menempati kedududkan B, dan O menempati kedudukan O. Dengan demikian struktur Yba₂CuO₇ ( YBCO 123 ) bisa digambarkan seperti di bawah ini.

Gambar 1. Struktur kristal perovskit YBa₂Cu₃O₇ (YBCO 123)

            Gambar di atas menunjukkan 2 atom Ba mengikuti perovskit yang menempati posisi di pusat tetragonal. Atom Cu menempati setiap sudut dan atom O ditengah – tengah rusuk. Diantara 2 lapisan perovskit tetragonal yang pusat ditempati oleh Y, titik sudutnya ditempati oleh atom Cu dan terdapat 8 atom O. Dimensi parameternya adalah a = 0, 382 nm, b = 0, 389 nm, c = 1, 168 nm ( Markus Diantoro, 2007: 100 ).

            Kenapa memilih YBa₂Cu₃O₇ (YBCO 123) sebagai penelitian berukuran nano?. Karena dalam penelitian – penelitian sebelunya masih menggunakan orde mikro. Baik metode evapora ataupun kopresipitasi, selain itu metode tersebut membutuhkan waktu lama dan cukup mahal ( Diantoro, 2009 ).

Reduksi Geometri dan High Energy Milling ( HEM )

            Reduksi geometri bukanlah sebuah metode seperti evaporasi, solid state, kopresipitasi, presipitasi, sol gel, maupun sonokimia, melainkan proses perubahan bahan dari yang berskala mikro ke skala nano, yang biasanya disebut juga proses produksi butir. Salah satu fabrikasi untuk mendapatkan bahan berskala nano adalah dengan menggunakan metode high energy milling ( HEM ). High energy milling merupakan teknikunik dengan menggunakan energi tumbukan antara bola-bola penghancur dan dinding chamber yang diputar dan digerakkan dengan cara tertentu. Nano partikel dengan cara ini mencapai di bawah 10 nm (Ihsan, Y., 2006).

            High energy milling ini memilki keunggulan yaitu dapat bekerja dengan lebih cepat hanya beberapa jam sudah dapat membuat nano partikel ( tergantung dari tipe alat ), dapat membuat nano partikel dalam kondisi atau suasana yang dinginkan saat proses milling, dan juga dapat menghasilkan nano partikel dalam jumlah yang relatif banyak (Rochman, N.T., 2009,). Prosedur penggilingan dengan high energymilling adalah serbuk homogen yang dimasukkan ke dalam chamber logam yang di dalamnya terdapat bola – bola baja yang berputar terus- menerus. Bola di dalam chamber tersebut akan saling bertumbukan, akibat proses inilah akan serbuk yang ada di dalam chamber akan ikut bertumbukan terus yang mengakibatkan partikel tersebut akan pecah. Begitu seterusnya hingga mencapai ukuran yang diinginnkan (Ozkaya, T, 2008). Metode ini dapat dilakukan pada suhu rendah, waktu yang relatif cepat, serta dengan peralatan yang sederhana.

Solusi yang Sudah Pernah Dilakukan

            Selama beberapa dekade penelitian dilakukan dengan reduksi bahan dengan orde mikro. Memasuki abad 21 banyak penelitian yang mulai menggunakan orde nano. Bahan YBa₂Cu₃O₇ (YBCO 123 ) merupakan bahan superkonduktor yang sering diteliti oleh banyak peneliti dengan menggunakan berbagai metode diantaranya metode evaporasi, kopresipitasi, presipitasi pada tahun 2009 – 2010 oleh Y. Purwamargapratala, dkk yang menghasilkan produk berskala mikro. Pada penelitian kali ini bahan superkonduktor YBa₂Cu₃O₇ (YBCO 123 ) akan diteliti dengan reduksi geometri menggunakan metode High Energy Milling ( HEM ) yang menghasilkan produk berskala nano yang belum pernah dilakukan oleh peneliti sebelumnya karena alat ini masih tergolong masih baru di Indonesia. Hal inilah yang mendasari penulis untuk segera melakukan penelitian ini. Sehingga bisa diaplikasikan pada bidang teknologi.

Kehandalan Gagasan

            Berbagai penelitian untuk mensintesis bahan dengan produk akhir berorde nano gencar dilakukan oleh banyak peneliti. Begitu juga dengan penelitian material superkonduktor berorde nano untuk menghasilkan produk teknologi yang mempunyai volume lebih kecil dan hemat energi. Namun menjadikannya sama dengan material berorde mikro. Salah satu upaya penelitian untuk menghasilkan material berorde nano dengan metode metalurgi serbuk, dengan menggunaka High Energy Millng ( HEM ). Metode Metalurgi serbuk menunjukkan metode yang efektif untuk menciptakan material berpori terbuka, sehingga dapat dimanfaatkan sebagai bahan superkonduktor. Alat High Energy Millng merupakan alat penggerus bahan secara otomatis dengan kecepatan mencapai 1200 rpm.

Selain itu, dengan menggunakan metode ini biaya produksi untuk menghasilkan bahan berorde nano lebih cepat dan menggunakan biaya yang relatif murah. Bahan YBa₂Cu₃O₇ (YBCO 123 ) merupakan bahan superkonduktor. Penggunaan YBa₂Cu₃O₇ (YBCO 123 ) sebagai bahan superkonduktor ini merupakan langkah pemanfaatan dan peningkatan nilai jual bahan superkonduktor. Dengan mereduksi dari ukuran butir mikro ke nano, diharapkan superkonduktor YBa₂Cu₃O₇ (YBCO 123 ) memiliki kekerasan dan superkonduktivitas yang tinggi, dan material superkonduktor yang lebih berkualitas.

Pihak –Pihak yang Terkait

            Proses sintesis dan karakterisasi bahan, struktur kristal dengan difraksi sinar-X, temperatur kritis dengan metode 4 tititk probe ( four point probe method)  menggunakan meliputi pengamatan struktur mikro dan uji kekerasan dilakukan di laboraturiam fisika material Universitas Negeri Malang. Jl. Semarang 5 Sumbersari – Malang. Perusahaan elektronika, sehingga produk yang dihasilkan dapat disosialisasikan secara maksimal.

Strategi Penerapan

            Pada penelitian ini sintesis yang digunakan dalam pemaduan senyawa Y2O3, CuO, BaCO3 adalah metode metalurgi dengan menggunakn alat kusus menggunakan High Energy Milling (HEM ), karena alat ini dapat mereduksi bahan sampai orde nano. Metode analisis dalam penelitian ini bersifat kuantitaif yang digunakan untuk pengukuaran kekeran dan resistivitas. Sedangkan pada pengamatan struktur mikro metode analisis dalam penelitian ini bersifat kualitatif untuk pengukuran butiran.

BAB III

METODE PENELITIAN

Metode Penelitian

Peralatan dan Bahan

Peralatan yang digunakan dalam sintesis bahan YBa₂Cu₃O₇ (YBCO 123 ) melalui metode metalurgi serbuk ini antara lain:

a) Neraca Mettler Toledo

b) Oven/ pamanas, Furnace dan Gas argon

c) Mortar, spatula dan penggerus elektrik

d) Botol air mineral dan cawan kaca

e) High Energy Milling (HEM)

f) Mesin kompaksi semi otomatis

g) Mikroskop optic

h) Mikrovickers

i) set four point probe

j) Difraksi sinar-x

Beberapa software yang digunakan untuk keperluan karakterisasi dan

analisis data diantaranya:

a) Convert: digunakan untuk mengkonversi data dari mesin X-RD ke mesin format data yang bisa dibaca oleh program GSAS.

b) GSAS: suatu perangkat lunak yang digunakan untuk analisis struktur kristal secara umum.

c) EXPGUI: digunakan untuk mempermudah pengendalian proses iterasi GSAS.

Bahan yang digunakan dalam sintesis bahan YBa₂Cu₃O₇ (YBCO 123 ) melalui metode metalurgi serbuk ini antara lain:

a)      Y₂O₃

b)      BaCO₃

c)      CuO

d)     Metanol

Prosedur Penelitian

            Dalam penelitian ini metode yang digunakan adalah metalurgi serbuk dengan menggunakan metode high energy millng ( HEM ). Penulis memilih metode ini karena bahan yang digunakan berbentuk serbuk, selin itu alat ini bisa mereduksi bahan sampai orde nano. Ketika ukuran butir lebih kecil diharapkan kekerasan dari bahan semakin bertambah.

            Proses awal sebelum menggunakan metode high energy milling (HEM), dilakukan terlebih dahulu pencampuran bahan Yba₂CuO₇ (YBCO 123)   untuk mendapatkan campuran CuO, Y₂O_3, BaCO₃ dengan rasio mol sebagai berikut:

Y₂O₃ + 4 BaCO₃ + 6 CuO              2 YBa₂Cu₃O₇ + 4 CO₂

            Setelah semua bahan tercampur dilakukan penggerusan  elektrik, kalau tidah ada penggerus elektrik bisa menggunakan pengerus biasa yaitu menggunakan mortal dan pastel selama 8 – 9 jam. Jika penggerusan dilakukan dengan menggunakan teknk sederhana, usahakan mortal dalam keadaan licin agar serbk bahan tidak ada yang menempel dan menggunakan metanol agar serbuk lebih tercampur. Kemudian bahan yang sudah melalui proses penggerusan dipirolisis dengan menggunakan furnance nabertherm pada suhu konstan 300°C  selama 8 jam. Karena bahan yang dihasilkan tidak dalam bentuk serbuk tetapi dalam bentuk campuran yang lembek, sehingga perlu dilakukan pemanasan agar semua air yang terkandung dalam bahan dapat menguap dan diperoleh bahan dalam bentuk padatan. Bahan yang sudah berbentuk padatan digerus kembali menggunakan high energy milling ( HEM ). Penggerusan dengan menggunakan High Energy Milling ( HEM ) agar diperoleh bahan dengan skala nano. Penggerusan dilakukan dengan memvariasi lama waktu yaitu 4 jam, 8 jam, dan 12 jam dengan kecepatan 1200 rpm.

Setelah bahan melalui proses penggerusan menggunakan High Energy Milling ( HEM ) bahan tersebut dikompaksi dalam pelet setebal 1 mm. Karakterisasi resistivitas untuk pengujian bahan superkonduktor dengan menggunakan metode empat titik probe (four point probe) dan mengukur temperatur dari sampel menggunaka alat Leibold Didactic GMBH 666 205. Karakterisasi fasa yang terkandung dalam bahan superkonduktor tersebut menggunakan XRD adalah alat XRD 6000.

Skema proses sintesis bahan adalah sebagai berikut:

Y2O3

BaCO3

CuO

 

penggerusan 1                                     Digerus 8- 9 jam

YBa2Cu3O7

 

furnance

Pemanasan dengan suhu 300°C  selama 8 jam

                        Penggerusan II

Dikompaksi setebal 1 mm

High Energy Milling (HEM)

                                                Penggerusan dengan variasi suhu 4 jam, 8 jam, 12 jam

                       

Analisis dan pembahasan

Karakterisasi XRD

Karakterisasi four point probe

 

Gambar 3: Skema proses sintesis bahan YBa₂Cu₃O₇

Metode Karakteriasi

            Metode karakterisasi yang digunakan dalam penentuan resistivitas adalah dengan menggunakan metode Four Point-Probe (FPP). Penentuan nilai resistivitas dapat dilakukan dengan dua cara yaitu (Direct Curent) dan AC (Alternative Curent). Penelitian ini menggunakan arus AC pada Four Point-Probe. Bahan yang sudah terbentuk pelet di tempelkan pada set four point probe yang terbuat dari bahan indium. Setelah keempat terminal itu menempel pada salah satu muka sampel, kemudian sampel itu dihubungkan dengan sumber arus searah melalui kedua terminal yang paling ujung, dan dihubungkan ke

potensiometer (untuk mengukur beda potensial) melalui dua terminal yang ditengah. Untuk lebih jelasnya perhatikan Gambar 2 di bawah ini.

                Dengan  menggunakan metode Four Point Probe, sehingga akan diperoleh nilai V dan I. Dengan menggunakan Hukum Ohm: V= IR, maka akan diperoleh nilai Resistansi.

Pengujian sampel dengan menggunakan alat karena tidaka ada gangguan arus maaupun tegangan dari alat ini sendiri.

            Metode yang digunakan untuk karakterisasi selanjutnya adalah dengan menggunakan XRD. Uji XRD digunakan untuk mengetahui identifikasi fasa yang terkandung dalam bahan superkonduktor tersebut. Sehingga dapat digunakam untuk membuktikan bahwa bahan superkonduktor ini termasuk ke dalam bahan superkonduktor atau tidak.

KESIMPULAN

            High Energy Milling merupakan metode yang bisa mereduksi bahan dari ukuran mikro ke ukuran nano. Seperti bahan YBa₂Cu₃O₇ (YBCO 123) yang sudah diteliti oleh banyak teliti tetapi hasil yang diperoleh dalam orde mikro. Krena bahan ini sulit untuk diteliti dengan metode lain, terbukti dengan belum adanya produk dari bahan YBa₂Cu₃O₇ (YBCO 123) yang hasil akhir berorde nano. Hal inilah yang didasarkan penulis umtuk menggunakan metode High Energy Milling (HEM) ini dan atas referensi dari penulis.

Produk yang dihasilkan dari bahan YBa₂Cu₃O₇ (YBCO 123) menghasilkan kabel listrik berukuran nano yang dapat diaplikasikan sebagai bahan penghantar arus atau alat teknologi. Penelitian lebih lanjut bahan ini dengan cara kerjasama dengan pihak-pihak tertentu seperti Laboratorium Material Fisika Universitas Negeri Malang, penelitian BATAN dan perusahaan elektronik untuk mensosialisasi hasil yang diperoleh.

            Bahan YBa₂Cu₃O₇ (YBCO 123) merupakan bahan superkonduktor yang fungsi sederhananya bisa digunakan sebagai kabel listrik, maka akan menghasikan energi listrik yang hemat energi karena tidak resitivitas (ρ=0 ). Sehingga bila diperoleh superkonduktor berukuran nano, diharapkan memilikimanfaat yang lebih luas dibanding sebelumnya, terutama dalam bidang elektronika. Selain sebagai kabel listrik.

DAFTAR PUSTAKA

Cyrot, Michel. 1992. Introduction To Superconductivity And High –Tc Materials. World Scientific Publishing. Singapore.

Rahayuningsih, Tri.2005. Mekanisme Kebocoran Arus Pada Film Tipis Kapasitor Pt / (Ba0,7,Sr0,3 ) TiO3 / YBCO Dalam Temperatur Rendah.Skripsi S1 Fisika FMIPA. Universitas Negeri Malang.

Diantoro, Markus. 2007. Superkonduktor. Fisika FMIPA. Universitas Negeri Malang.

Yulianti, Tatik. 2010.  Sintesis Superkonduktor Bpscco/Ag Menggunakan Metode Padatan.Skripsi S1 Fisika FMIPA. Universitas Sebelas Maret Surakarta.

Idayati, Elys. Perbandingan Hasil Sintesis Oksida Perovskit La1-Xsrxcoo3-Δ Dari Tiga Variasi Metode (Sol-Gel, Solid-State, Kopresipitasi). Portovolio. 2010. www. Portovolio.com.

Marlianto, Eddy.2008. Metode Ultrasonik Pada Bahan Superkonduktor Suhu Tinggi. Pidato Pengukuhan Guru Besar Tetap. FMIPA Universitas Sumatera Utara. Medan.

Herhady ,R. Didiek,& R. Sukarsono.2007. Pengaruh Suhu Dan Waktu Sintering Terhadap Kualitas Bahan Bakar Kernel Uo₂ Dalam Furnace Jenis Fluidized Bed.Jornal Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan. Jakarta.