polymer cnt composite

Download Polymer CNT Composite

Post on 16-Jul-2015

158 views

Category:

Documents

3 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

2011

Polymer - Carbon Nanotube Composite

Kelompok 1 Erwin (0806315950) Terry

Polymer - Carbon Nanotube (CNT) CompositePendahuluan Pada tahun 1985, Richard E. Smalley, Robert F. Curl, Jr (keduanya dari Rice University, Houston, Amerika Serikat), dan Sir Harold W. Kroto (dari University of Sussex, Brighton, Inggris) menemukan struktur karbon murni yang tersusun atas 60 atom karbon (C60). Penemuan ini cukup menarik mengingat selama ini hanya ada dua bentuk unsur karbon murni yang dikenal, yaitu grafit dan intan. Struktur C60 tersebut diberi nama buckminsterfullerene atau disebut juga bucky ball. Nama ini dipilih karena strukturnya menyerupai bangunan berkubah seperti bola yang dirancang oleh seorang arsitek Amerika Serikat, R. Buckminster Fuller untuk World Exhibition pada tahun 1967 di Montreal, Kanada. Penemuan yang dipublikasikan dalam jurnal Nature pada tanggal 14 November 1985 ini mengantarkan mereka memperoleh hadiah Nobel Kimia pada tahun 1996. Dalam perkembangan berikutnya, molekul C60 ini lebih dikenal dengan nama fullerene dan digunakan pula untuk untuk menamai molekul-molekul serupa yang ditemukan sesudahnya, seperti C70, C74, dan C82.

Gambar 1. Struktur Molekul buckminsterfullerene (Sebuah Bucky Ball) Penemuan fullerene ini kemudian memicu ditemukannya material baru bernama carbon nanotube (CNT). Struktur carbon nanotube mirip dengan fullerene. Bedanya, atomatom karbon pada fullerene membentuk struktur seperti bola, sedangkan carbon nanotube berbentuk silinder yang tiap ujungnya ditutup oleh atom-atom karbon yang berbentuk setengah struktur fullerene.[1]

[1]

Kusumadewi, Anggraeni. Perangkat Memori Berbasis Carbon Nanotube. 2010.

Carbon nanotube merupakan salah satu material baru dan mulai dikembangkan dalam 30 tahun terakhir ini. Sifat-sifatnya yang luar biasa sangat menarik perhatian para ilmuwan, dan juga pihak industri, dan menjadikan carbon nanotube sebagai subjek penelitian utama sehingga dapat menghasilkan paper bertema nanotube sebanyak tujuh buah per harinya. Ledakan perhatian dalam carbon nanotube dimulai saat struktur carbon nanotube pertama kali ditemukan oleh Sumio Iijima dari NEC Laboratories di Jepang. Iijima menggunakan HRTEM (High Resolution Transmission Electron Microscopy) untuk menguji karbon yang diproduksi oleh busur yang mengevaporasi grafit dalam atmosfer helium. Percobaan Iijima dimulai saat ditemukannya lapisan keras yang terbentuk di katoda grafit dalam proses busur evaporasi. Pada bagian tengah lapisan berisi banyak tabung-tabung kecil karbon grafit, yang terdiri dari silinder-silinder grafit yang tersusun secara konsentris dengan diameter sekitar 10 nm dengan ujung seperti bentuk fullerene.[2] Walaupun tabung karbon ini diproduksi secara katalitis, struktur yang diperoleh Iijima merupakan yang paling sempurna dibandingkan struktur yang telah ditemukan sebelumnya, sehingga menghasilkan sifat-sifat yang istimewa. Dewasa ini, sangat banyak percobaan yang membuktikan sifat-sifat istimewa dari carbon nanotube, terutama kekakuan dan kekuatannya yang luar biasa. Pengukuran menggunakan in situ transmission electron microscopy (TEM) dan atomic force microscopy (AFM) menunjukkan nilai modulus kekakuan (modulus Young) mencapai 1 TPa. Untuk perbandingan, serat karbon terkaku memiliki modulus kekakuan sebesar 800 GPa, sedangkan fiber glass memiliki kekakuan hanya sekitar 70 GPa.[2] Pengukuran sebuah nanotube secara langsung menggunakan atomic force microscopy menunjukkan bahwa nanotube dapat mengakomodasi deformasi ekstrim tanpa terjadi perpatahan. Carbon nanotube juga memiliki kemampuan untuk kembali ke bentuk asalnya, bentuk yang lurus, setelah terjadi deformasi. Carbon nanotube juga memiliki konduktivitas listrik yang baik, dengan rapat arus sebesar 1011 A m-2, dan memiliki konduktivitas panas yang baik. Sifat-sifat ini dapat dimanfaatkan dengan cara mengkombinasikan carbon nanotube ke dalam suatu matriks dan membuatnya menjadi suatu material komposit. Dalam banyak kasus, komposit ini menggunakan polimer sebagai matriksnya. Struktur dan Sifat Carbon Nanotube Carbon nanotube yang ditemukan oleh Iijima memiliki struktur yang mendekati fullerene. Bentuk ini dapat diilustrasikan dengan memotong molekul C 60 menjadi dua bagian dan menyisipkan silinder grafit di tengahnya. Berdasarkan jumlah dindingnya, carbon[2]

P. J. F. Harris. Carbon Nanotube Composites. 2004. Vol. 49. 31-43.

nanotube secara umum dapat dikelompokkan menjadi dua macam, yaitu carbon nanotube berdinding tunggal (single-walled carbon nanotube atau SWNT) dan carbon nanotube berdinding banyak atau berlapis (multi-walled carbon nanotube atau MWNT). Sifat-sifat carbon nanotube yang luar biasa itu kemudian dapat diturunkan secara spesifik dengan menganalisis lembaran penyusun dinding tersebut, yaitu graphene (grafit berbentuk lembaran) yang digulung menjadi silinder. Ada banyak cara untuk menggulung lembaran graphene menjadi sebuah carbon nanotube, persis seperti ketika kita ingin menggulung selembar kertas. Arah dari penggulungan lembaran tersebut akan menentukan arah ikatan heksagonal pada carbon nanotube, yang kemudian sangat menentukan sifat listrik carbon nanotube dengan geometri tersebut. Untuk mengkarakterisasi sebuah carbon nanotube dengan geometri tertentu, diberikan parameter bilangan bulat (n, m), yang disebut dengan vektor chiral. Panjang dari vektor chiral ini akan menjadi keliling carbon nanotube, yaitu bagian panah vektor harus bertemu dengan bagian ekornya ketika diputar menjadi lingkaran.[3]

Silinder yang dibentuk dikarakterisasi berdasarkan diameter dan sudut kiralnya (chiral angle), atau oleh nilai indeks (n,m). Struktur carbon nanotube bernilai indeks (n,0) disebut struktur zigzag. Jika nilai indeksnya (n,n), strukturnya disebut struktur armchair. Struktur- struktur lainnya disebut struktur intermediate (antara zigzag dan armchair).

Gambar 2. a) Lembaran Graphene yang digulung membentuk CNT b) Besar dan Arah Penggulungan CNT[3]

Suhadi, Andry Nurta. Carbon Nanotube. 2009. Padang: Universitas Andalas.

Pada gambar 2b, a1 dan a2 menyatakan vektor kisi (lattice vector), sedangkan Ch=na1+ma2 adalah vektor penggulungan (roll-up vector). Garis putus-putus menandai susunan atom-atom karbon pada carbon nanotube yang mewakili indeks (n,0) atau struktur zigzag, dan indeks (n,n) atau struktur armchair. T menyatakan vektor translasi (translation vector). Bagian yang diarsir menyatakan bagian yang akan digulung membentuk carbon nanotube dengan nilai indeks (4,2).[1]

Gambar 3. Tiga Jenis Struktur Carbon Nanotube Gambar 4a menunjukkan sampel MWNT pada perbesaran sedang. Dapat dilihat pada gambar tersebut, carbon nanotube dikelilingi oleh material yang lain, seperti nano partikel (berlubang, seperti bentuk fullerene) dan beberapa karbon yang tersusun secara acak. Pada resolusi yang tinggi, terlihat bahwa MWNT terdiri dari lapisan-lapisan tunggal yang tersusun membentuk tabung konsentris (gambar 4b dan gambar 5). MWNT memiliki panjang antara 10 nm hingga beberapa mikrometer, dengan diameter luar sekitar 2,5 hingga 30 nm.[2]

Gambar 4. MWNT yang diamati dengan menggunakan TEM a. resolusi sedang b. resolusi tinggi.

Gambar 5. Struktur MWNT

Ada banyak teori dan eksperimen yang menjelaskan sifat-sifat mekanis dari carbon nanotube. Pengukuran pertama untuk kekakuan carbon nanotube dilakukan pada tahun 1996 oleh Treacy, yang melakukan pengukuan in situ multiwalled carbon nanotube dalam TEM. Dari pengukuran ini didapatkan bahwa carbon nanotube memiliki modulus kekakuan yang sangat tinggi, walaupun kesalahan pengukuran saat itu masih besar, yaitu antara 410 GPa hingga 4,15 TPa, dengan rata-rata sekitar 1,8 TPa. Pengukuran yang lebih akurat dilakukan menggunakan nanostressing stage di dalam SEM. Percobaan ini menyatakan bahwa nilai modulus Young dari lapisan terluar MWNT berada antara 270 hingga 950 GPa.[4] Molekul carbon nanotube sangat kuat, ulet, fleksibel, dan tidak mudah patah. Pada tekanan tinggi, molekul-molekul carbon nanotube dapat bergabung membentuk struktur seperti tali yang disebut nanorope. Ada dua macam nanorope, yang pertama terbentuk karena adanya gaya van der waals, yang kedua terbentuk karena adanya ikatan kovalen antar molekul carbon nanotube.[1]

Gambar 6. Dua jenis carbon nanotube ynag berbeda sifatnya (a dan b), digabungkan membentuk struktur c. Selain sifat mekanik dari carbon nanotube, beberapa percobaan juga mempelajari sifat listrik dari carbon nanotube. Resistivitas atau hambatan listrik yang terukur dari sebuah carbon nanotube berkisar antara 0,05 m-10 m m. Sebagai perbandingan, kristal tunggal

[4]

M. S. P. Shaffer dan J. K. W. Sandler. Carbon Nanotube/Nanofibre Polymer Composites. World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd.

grafit memiliki hambatan listrik sebesar 0,4 m dan tembaga memiliki hambatan listrik sekitar 0,017 m. Carbon nanotube juga memiliki konduktivitas listrik yang baik, dengan rapat arus sebesar 1011 A m-2.[4] Dr. Alex Zettl dan rekan-rekannya dari University of California, Berkeley, berhasil membuktikan bahwa jika dua molekul carbon nanotube dengan struktur yang berbeda digabungkan, junction atau titik pertemuan antara keduanya dapat berfungsi sebagai diode (gambar 6). Nilai indeks (n,m) SWNT menentukan sifat listriknya.[1,3] Struktur armchair bersifat seperti logam, struktur zigzag dapat bersifat semilogam atau semikonduktor, tergantung dari ukuran diameter spesifiknya, sedangkan struktur intermediate bersifat semilogam dan semikonduktor. Pada MWNT, meskipun terjadi interaksi antar cangkang yang memengaruhi sifat listriknya, biasanya pengaruhnya dapat diabaikan. Keunikan sifat listrik carbon nanotube pada dasarnya merupakan turunan sifat dari struktur elektronik yang tidak biasa dari graphene dengan konfigurasi elektron sp2. Graphene memiliki keadaan yang mampu menghantarkan listrik dengan tingkat energi yang ada di perb

Recommended

View more >