Fisika dan Rekayasa Material

1.1 Pendahuluan
Sains dan rekayasa material merupakan fondasi utama perkembangan teknologi modern, baik untuk aplikasi struktural, elektronik, termal, elektrokimia, lingkungan dan biomedis. Sejarah peradaban manusia berevolusi dari zaman batu ke zaman perunggu, zaman besi, zaman baja (steel), hingga zaman elektronik 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. Zaman penjelajahan ruang angkasa mendorong penemuan berbagai material struktural (komposit) yang tahan panas, kuat sekaligus ringan. Zaman elektronik ditandai dengan kemajuan di bidang material dan aplikasi semikonduktor. Dewasa ini, material dapat dibedakan atas kelompok logam, keramik, polimer, komposit, dan biomaterial. Bab ini berisi sekilas tentang tinjauan (dari bidang fisika) jenis material tersebut dan aplikasinya dalam kehidupan umat manusia.
1.2 Ruang Lingkup Fisika Material
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).

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 termal dapat dinyatakan misalnya dalam besaran kapasitas panas dan konduktivitas termal. 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. Rekayasa material dipelajari dengan maksud untuk menyelidiki dan mendesain berbagai jenis aplikasi bahan dengan mempertimbangkan tiga kriteria dasar, yakni: Kondisi bahan pada saat pemakaian Sifat deteriorasi bahan, dan Nilai ekonomi bahan

1.3 Klasifikasi Material
Berdasarkan sifat kimia dan struktur atomik, bahan material dapat dikelompokkan dalam 5 jenis, sebagai berikut:
a. Logam
Logam terbentuk dari kombinasi unsur-unsur logam, mengandung banyak elektron bebas (elektron yang tidak terlokalisasi) yakni elektron yang tidak terikat pada atom tertentu. Banyak sifat logam berkaitan langsung dengan rapat elektron bebas tersebut. Logam merupakan penghantar listrik dan panas yang sangat baik, tidak transparan terhadap cahaya tampak, mudah digosok (polish), keras tapi mudah dibentuk sehingga banyak dipakai untuk aplikasi struktural.
b. Keramik
Keramik adalah campuran antara unsur-unsur logam dan unsur-unsur non logam, umumnya berupa oksida, nitrida dan karbida. Material yang tergolong keramik umumnya tersusun atas mineral lempung, semen dan gelas.
c. Polimer
Polimer meliputi bahan plastik dan karet. Polimer yang paling umum dikenal adalah polimer organik yang tersusun dari rantai karbon yang panjang, hidrogen dan unsur-unsur non logam. Selain itu dikenal polimer in-organik yang penyusun utamanya tidak terdiri atas atom karbon.
d. Komposit
Material komposit dibangun dari dua atau lebih jenis bahan. Contoh komposit yang terkenal adalah serat gelas (glass fiber) yang dibungkus dengan bahan polimer dan digunakan sebagai kabel komunikasi. Komposit didesain untuk mengkombinasikan karakteristik yang terbaik dari komponen-komponen penyusunnya. Fiber gelas misalnya memiliki sifat keras dan polimer bersifat fleksible.
e. Biomaterial (material Biologi)
Material biologi umumnya bersumber dari makhluk hidup serta rekayasa material untuk menyerupai sifat-sifat bahan biologi alami. Struktur kulit, sel, serta tulang dan gigi merupakan material biologi yang banyak dipelajari dalam fisika material.
1.4 Aplikasi Material
Pada bagian ini akan dikemukakan beberapa bentuk aplikasi material dalam bidang teknologi yang berkembang dewasa ini.
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 termal 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.

Gambar 1.3 Tranduser piezoelektrik untuk pesawat udara yang terbuat dari keramik (www.kulite.com). 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. Polimer digunakan sebagai bahan dielektrik dan pembungkus kabel. Keramik dipakai sebagai bahan kapasitor, divais thermolistrik, divais piezoelektrik, dan serat optik.
c. Aplikasi Termal
  Aplikasi termal 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 termal. Konduksi termal 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 termal.
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, termal 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. Serat karbon aktif sangat penting untuk mengktifkan partikel karbon di dalam fluida dinamik. Akan tetapi material ini sangat mahal. Pori pada permukaan material berperan sebagai lokasi adsorpsi. Secara umum, pori dapat berupa macropores (> 500 Ǻ), mesopores (antara 20 sampai 500 Ǻ), micropores (antara 8 sampai 20 Ǻ) dan nanopores (< 8 Ǻ).
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.

Penulis : Zainal Abidin ~ Sebuah blog yang menyediakan berbagai macam informasi

Artikel Fisika dan Rekayasa Material ini dipublish oleh Zainal Abidin pada hari Rabu, 26 September 2012 . Semoga artikel ini dapat bermanfaat.Terimakasih atas kunjungan Anda silahkan tinggalkan komentar.sudah ada 0 komentar: di postingan Fisika dan Rekayasa Material
 

0 komentar :

Poskan Komentar