c:c~ - filedengan memiliki temperatur gelas transisi, t g' alasan fisik mengapa cairan dapat bembah...

Click here to load reader

Post on 10-Mar-2019

213 views

Category:

Documents

0 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

Proseding Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1996

STUDI DIFRAKSI NEUTRON TERHADAP GELAS, CAIRAN, DANKRISTAL CaO.4 Ko.6(NO3)1.4 1

E. Kartini 2

ABSTRAKSTUDI DIFRAKSI NEUTRON TERHADAP GELAS, CAIRAN, DAN KRISTAL C~.4 Ko.6(NO3h.4 Perubahan

pola difraksi neutron pada gelas dan cairan Cao4 Ko6(NO3ft4 terhadap ternperatur,dan pertumbuhan kristal sebagai fungsi waktu,telah dilakukan dengan menggunakan Difraktometer Serbuk Resolusi Tinggi. Perubahan yang terjadi dengan kenaikan ternperaturadalah penurunan intensitas pada puncak utama difraksi, pergeseran posisi puncak ke arab bilangan gelombang, Q, yang lebih kecil,serta pelebaran puncak difraksi. Dalam pengukuran ini diperoleh linear ekspansi ternal sebesar (1.79:tO.12)x10-4 / K yang ternyatalebih besar daripada makroskopik ekspansi termal. Sebagai tambahan, proses kristalisasi menunjukkan bahwa puncak-puncakdifraksi bukan berasal dari bahan murni awal KNO3 atau Ca(NO3)2 dimana sampel ini diproduksi.

ABSTRACTNEUTRON DIFFRACTION STUDY ON GLASSY, LIQUID AND CRYSTALLINE Can.. Ko.6 (NOJ) The

temperature dependent of the neutron diffraction by Cao. Ko6 (NO]).. in the glassy and liquid sates, has been measured togetherwith the time dependence of the transformation to the crystalline states by using High Resolution Powder Difractometer. Theresults show that the main diffraction peak intensity decreases with the temperature, and its position shifts to the lower wavenumber, Q, values. There is also a broadening of the peak with increasing temperature. The thermal expansion obtained fromthis measurement is (1.79:tO.12)xIO4/K, which is larger than the macroscopic thermal expansion. In the addition the real timedependence of the crystallization shows that the observed peaks do not correspond to the structure of either pure KNO) or pure

Ca(NO])2 the parent materials, which is used to produce this sample.

--

z~~~"'.~ ~.....~'_.C ",

l ..r#. ..

II .'-, --w.~-:, ...C:C~D.

PENDAHULUANIstilah "gelas" mengandung arti

amorphous solid yang memiliki stuktur tidakteratur (disorder) di dalam skala atomikdengan memiliki temperatur gelas transisi, T g'Alasan fisik mengapa cairan dapat bembahmenjadi gelas dalam kondisi normal adalahmasalah lama dan dasar didalam ilmu fisikazat marnpat. Tetapi leon tidak dapatmenerangkan mengapa beberapa cairan dapatdengan mudah menjadi cairan-superdingin(su-percooled-Jiquid) tanpa terjadi kristalisasi,sedangkan sebagian materi tidak dapat. Gelasdapat dibentuk jika cairan didinginkan jauhdibawah temperatur leleh dengan kecepatanpendinginan yang cukup. Hal ini mempakankeadaan metastabil yang dapat terjadi dalamwaktu yang cukup lama [1]. Gelas memilikistmktur yang sarna dengan cairan dimanagelas tersebut dihasilkan.

Penelitian mengenai sifat statik dandinamik pada bahan gelas telah menjadi topikutama pada akhir dekade ill, dengan masihbanyak tidak dimengertinya beberapafenomena yang terjadi pada transisi cairanmenjadi gelas. Beberapa leon telahdikembangkan untuk mempelajari sifatdinamik dari, pada gelas, se-perti mode-coupling theory (MCT) yang dikembangkanoleh Leutheser daD Bengtzelius pada sekitartahun 1984 [2]. Teori ill dapat dikatakan

berhasil setelah beberapa tahun kemudiandiaplikasikan dengan basil eksperimen yangmenggufiakan baik Nuclear MagneticResonance (NMR) atau hamburan neutronbaik elastik, inelastik maupun kuasielastik.

Pada bagian pertama makalah iniakan diuraikan basil penelitian denganhamburan neutron elastik, yaitu denganmenggunakan diffraktometer serbuk resolusitinggi terhadap bahan gelas Cao4Ko6(NO3)14(CKN) .CKN adalah termasuk didalamkategori fragile gelas, diantara glassforming-liquid lainnya. Karakterisasi ini berdasarkanpengukuran viskositas pada berbagaitemperatur. CKN juga memiliki temperaturegelas transisi yang rendah (Tg = 335 K) daDtemperatur leleh, Tm, sekitar 444 K ,sehingga pada pengukuran dengan hamburanneutron tidak diperlukanfurnace yang khusus.Selain daripada itu, gelas ini cukup stabil daDtidak mudah menjadi kristal. Pada bagian iniakan ditunjukkan beberapa sifat termaldaripada gelas tersebut, dan beberapaperubahan yang terjadi pada pola difraksineutron jika temperatur dinaikkan.

Pada kenyataannya setiap bahangelas yang dipanaskan baik secara cepat ataulambat akan berubah menjadi cairan-superdingin daD kemudian terjadi kristalisasi,karena energi dalam kristal lebih rendahdibandingkan dengan energi dalam baik gelas

I Dipresentasikan pada Seminar Ilmiah PPSM 19962 Pusat Penelitian Sains dan Materi, BAT AN

431

atau cairan. Banyak yang dapat kita pelajaridari perubahan rasa gelas-cairan superdingindan kristal sehingga menjadi cairan, jikadipanaskan diatas temperatur leleh, T m. Salahsatu keuntungan dengan menggunakan alaidifraktometer serbuk resolusi tinggi adalahkita dapat mempelajari juga sifat kinetik daripertumbuhan kristal tersebut secara riil.Masalah ini merupakan topik barn dibidangzat mampat, tetapi hal ini tentu sajatergantung pada kecepatan pertumbuhankristal daripada materi yang kita uji. Bagiankedua makalah ini akan membahas mengenaiperubahan waktu terhadap pertumbuhankristal CKN. Pendekatan teori pertumbuhankristal yang digunakan sifat kinetik ini adalahmenggunakan persamaan Johnson-MehlAvrami (JMA) [3,4].

termal dengan menggunakan differentialscanning calorimeter (DSC).

B. EKSPERIMENPengukuran difraksi neutron

dilakukan dengan menggunakan DUAL SPECdifraktometer serbuk resolusi tinggi pada C2fasilitas eksperimen di NRU reaktor, ChalkRiver Laboratory. Instrument ini memiliki 800buah elemen position sensitive detector,dengan sudut 0.1 .Si(531) digunakan sebagai

monokromator dengan panjang gelombang1.507 A. Sampel gelas di dalam wadahberbentuk silinder yang terbuat daTi bahanvanadium (vanadium-can), diletakkandidalamfurnace dengan atmosfir helium.

Pengukuran selarna 2 jam dilakukanpada temperatur antara 300 dan 573 K, untuksudut angular daTi 3 ~ 28 ~ 83. Pola difraksitidak banyak berubah pada waktu pemanasandari 300 ke 340 K. Dengan pemanasanselanjutnya, kristalisasi terjadi dan tampakjelas pada temperatur 370 K. Untukmenghindari kristalisasi sampel kemudiandipanaskan sampai pada keadaan cairanberviskositas-rendah yaitu 573 K, daDkemudian didinginkan dengan menurunkantemperature pada temperatur yang diinginkan(ditunjukkan dalam gambar dengan"cooling") sampai 375 K. Kecepatanpendinginan sekitar 1 K/min. Untukmempelajari proses kristalisasi, sampeltersebut'dipanaskan kembali daD pada suhu380 K dilakukan beberapa pengukuran dalamjangka waktu 0.5 jam.

METODOLOGIA. Preparasi Sampel

Langkah awal dari riset ini adalahpembuatan sampel gelas CKN. Sampel inidibuat di Brockhouse Institute for MaterialsResearch, McMaster University, Hamilton,Canada. Gelas CKN dibuat dengan bahanawal 99.99% KNO3 dan 99.99%Ca(NO3).4H20) dalam bentuk serbuk.Pemanasan dilakukan didalam tungku(furnace) yang divakurnkan dan semua prosesdilakukan di dalam glove box, untukmenghindari penyerapan dengan udara luar.Semua bahan dikeringkan terlebih dahulusebelum ditimbang dengan pemanasan, agardiperoleh ukuran yang tepat. Kedua strukturdari nitrat tersebut dibandingkan terlebihdahulu dengan pola difraksi standar denganmenggunakan sinar-X. Setelah ditimbangkedua nitrat tersebut dicampur dan dicairkandidalam tabung terbuat daTi bahan quartz,dengan menaikkan temperature menjadi 473K. Pada waktu uap air tidak tampak danberhenti, dilakukan kenaikan temperaturebeberapa step, yaitu 50, 30, 30, 30 dan 40 K,dalam interval waktu satu jam dan kemudiandievakuasi pada tekanan 10-5 torr untukmenghilangkan sisa uap air yang ada didalamcampuran. Jika terjadi dekomposisi(decomposition) material akan memberikancairan yang agak keruh dan kekuning-kuningan. Cairan yang baik akan tampakjernih. Kemudian cairan tersebut dituangkankedalam tabung silinder yang terbuat daTivanadium dengan diameter 0.5 cm danpanjang 5 cm untuk eksperimen dengandifraksi neutron. Sekitar 0.05 m1 ditempatkanpada almunium pan untuk pengukuran analisa

BASIL DAN PEMBAHASANA. Analisa Tennal

Gambar 1 menunjukkan basilpengukuran suat termal pada CKN denganmenggunakan DSC. Pengukuran dilakukandengan menggunakan instrument DSC 2910pada lnstitut for Material Research, McMasterUniversity. Sampel dengan massa 10 mgdidalam alumunium pan diletakkan padaplatinum holder. Sebagai referensi, diletakkanpula pan kosong. Perbedaan arus panas yangterjadi dimonitor dengan termokopel -

diferensial. Sampel dipanaskan dengankecepatan 6 K/min. Untuk menghindaripenyerapan dengan udara luar, selamapengukuran dilakukan di aliri Argon.

Gambar l(a) dan 1(b) menunjukkankurva DSC yang diperoleh melalui pemanasandan pendinginan. Perubahan pertama adalahkarakterisasi gelas transisi , T g = 335 K, yang

ditentukan daTi sentral ditnana perubahanawal dan akhir daTi proses terjadi. Proses

432

selanjutnya adalah kristalisasi yang terjadipada suhu Tx = 394 K daD bersifat eksotermis.

Puncak endotermis berikutnya terjadi adalahproses pencairan pada temperatur Tm(l) = 425K daD Tm(2) = 444 K. Kedua titik leleh

tersebut menunjukkan adanya dua jenisstruktur kristal yang berbcda [5]. Sebaliknyapada waktu cairan didinginkan tidak terjadikristalisasi, selain daripada perubahan gelastransisi Tg = 335 K, sebagaimana ditunjukkan

pada gambar l(b). Perubahan tersebutdisebabkan adanya perubahan kapasitas panasdidalam sampel.

B. Analisa Perubahan Pol a DifraksiNeutron Sebagai Fungsi Temperatur.

Fasa amorf sccara mudah dapat ditandai dcngan kenyataan bukan mcrupakan

kristal dan tidak mcmiliki puncak difraksiyang tajam. Hal ini sepcrti ditunjukkan dalamgambar 2, pola difraksi neutron pacta sampclCKN dengan bcrbagai tempcratur 300 K, 370K, 483 K dan 573 K, pacta waktu sistemberfasa gelas, cairan-supcrdingin, cairan-superdingin, dan cairan. Pola difraksi in