ILMU DAN TEKNOLOGI BAHAN BAB KRISTALIN 22 februari 2013 Ken Aditya Muhammad Andre Gusnnov Misbah Thoyyibah
KRISTAL Kristal atau hablur adalah suatu padatan yang atom, molekul, atau ion penyusunnya terkemas secara teratur dan polanya berulang melebar secara tiga dimensi. Secara umum, zat cair membentuk kristal ketika mengalami proses pemadatan. Pada kondisi ideal, hasilnya bisa berupa kristal tunggal, yang semua atom-atom dalam padatannya "terpasang" pada kisi atau struktur kristal yang sama, tapi, secara umum, kebanyakan kristal terbentuk secara simultan sehingga menghasilkan padatan polikristalin. Misalnya, kebanyakan logam yang kita temui sehari-hari merupakan polikristal. Struktur kristal mana yang akan terbentuk dari suatu cairan tergantung pada kimia cairannya sendiri, kondisi ketika terjadi pemadatan, dan tekanan ambien. Proses terbentuknya struktur kristalin dikenal sebagai kristalisasi.
Meski proses pendinginan sering menghasilkan bahan kristalin, dalam keadaan tertentu cairannya bisa membeku dalam bentuk non-kristalin. Dalam banyak kasus, ini terjadi karena pendinginan yang terlalu cepat sehingga atomatomnya tidak dapat mencapai lokasi kisinya. Suatu bahan nonkristalin biasa disebut bahan amorf atau seperti gelas. Terkadang bahan seperti ini juga disebut sebagai padatan amorf, meskipun ada perbedaan jelas antara padatan dan gelas. Proses pembentukan gelas tidak melepaskan kalor lebur jenis (Bahasa Inggris: latent heat of fusion). Karena alasan ini banyak ilmuwan yang menganggap bahan gelas sebagai cairan, bukan padatan. Topik ini kontroversial, silakan lihat gelas untuk pembahasan lebih lanjut.
Struktur kristal terjadi pada semua kelas material, dengan semua jenis ikatan kimia. Hampir semua ikatan logam ada pada keadaan polikristalin; logam amorf atau kristal tunggal harus
diproduksi secara sintetis, dengan kesulitan besar. Kristal ikatan ion dapat terbentuk saat pemadatan garam, baik dari lelehan cairan maupun kondensasi larutan. Kristal ikatan kovalen juga sangat umum. Contohnya adalah intan, silika dan grafit. Material polimer umumnya akan membentuk bagian-bagian kristalin, namun panjang molekul-molekulnya biasanya mencegah pengkristalan menyeluruh. Gaya Van der Waals lemah juga dapat berperan dalam struktur kristal. Contohnya, jenis ikatan inilah yang menyatukan lapisan-lapisan berpola heksagonal pada grafit. Kebanyakan material kristalin memiliki berbagai jenis cacat kristalografis. Jenis dan struktur cacat-cacat tersebut dapat berefek besar pada sifat-sifat material tersebut.
Galium, logam yang dengan mudah membentuk kristal tunggal berukuran besar. Meskipun istilah "kristal" memiliki makna yang sudah ditentukan dalam ilmu material dan fisika zat padat, dalam kehidupan sehari-hari "kristal" merujuk pada benda padat yang menunjukkan bentuk geometri tertentu, dan kerap kali sedap di mata. Berbagai bentuk kristal tersebut dapat ditemukan di alam. Bentuk-bentuk kristal ini bergantung pada jenis ikatan molekuler antara atom-atom untuk menentukan strukturnya, dan juga keadaan terciptanya kristal tersebut. Bunga salju, intan, dan garam dapur adalah contoh-contoh kristal. Beberapa material kristalin mungkin menunjukkan sifat-sifat elektrik khas, seperti efek feroelektrik atau efek piezoelektrik. Kelakuan cahaya dalam kristal dijelaskan dalam optika kristal. Dalam struktur dielektrik periodik serangkaian sifat-sifat optis unik dapat ditemukan seperti yang dijelaskan dalam kristal fotonik. Kristalografi adalah studi ilmiah kristal dan pembentukannya.
Macam-macam kristal logam
ionik
molekular
kovalen
Li
38
LiF
246,7 Ar
1,56 C(intan) 170
Ca
42
NaCl
186,2 Xe
3,02 Si
105
Al
77
AgCl
216
Cl
4,88 SiO2
433
Fe
99
Zn
964
CO2
6,03
W
200 CH4
1,96
Nilai yang tercantum di atas adalah energi yang diperlukan untuk memecah kristal menjadi partikel penyusunnya (atom, ion, atau molekul (dalam kkal mol-1)) a. Kristal logam Kisi kristal logam terdiri atas atom logam yang terikat dengan ikatan logam. Elektron valensi dalam atom logam mudah dikeluarkan (karena energi ionisasinya yang kecil) menghasilkan kation. Bila dua atom logam saling mendekat, orbital atom terluarnya akan tumpang tindih membentuk orbital molekul. Bila atom ketiga mendekati kedua atom tersebut, interaksi antar orbitalnya terjadi dan orbital molekul baru terbentuk. Jadi, sejumlah besar orbital molekul akan terbentuk oleh sejumlah besar atom logam, dan orbital molekul yang dihasilkan akan tersebar di tiga dimensi. Karena orbital atom bertumpangtindih berulang-ulang, elektron-elektron di kulit terluar setiap atom akan dipengaruhi oleh banyak atom lain. Elektron semacam ini tidak harus dimiliki oleh atom tertentu, tetapi akan bergerak bebas dalam kisi yang dibentuk oleh atom-atom ini. Jadi, elektron-elektron ini disebut dengan elektron bebas.
Sifat-sifat logam yang bemanfaat seperti kedapat-tempa-annya, hantaran listrik dan panas serta kilap logam dapat dihubungkan dengan sifat ikatan logam. Misalnya, logam dapat mempertahankan strukturnya bahkan bila ada deformasi. Hal ini karena ada interaksi yang kuat di berbagai arah antara atom (ion) dan elektron bebas di sekitarnya
Logam akan terdeformasi bila gaya yang kuat diberikan, tetapi logam tidak akan putus. Sifat ini karena interaksi yang kuat antara ion logam dan elektron bebas. Tingginya hantaran panas logam dapat juga dijelaskan dengan elektron bebas ini. Bila salah satu ujung logam dipanaskan, energi kinetik elektron sekitar ujung itu akan meningkat. Peningkatan energi kinetik dengan cepat ditransfer ke elektron bebas. Hantaran listrik dijelaskan dengan cara yang sama. Bila beda tegangan diberikan pada kedua ujung logam, elektron akan mengalir ke arah muatan yang positif. Kilap logam diakibatkan oleh sejumlah besar orbital molekul kristal logam. Karena sedemikian banyak orbital molekul, celah energi antara tingkat-tingkat energi itu sangat kecil. Bila permukaan logam disinari, elektron akan mengabsorbsi energi sinar tersebut dan tereksitasi. Akibatnya, rentang panjang gelombang cahaya yang diserap sangat lebar. Bila elektron yang tereksitasi melepaskan energi yang diterimanya dan kembali ke keadaan dasar, cahaya dengan rentang panjang gelombang yang lebar akan dipancarkan, yang akan kita amati sebagai kilap logam.
b. Kristal ionik Kristal ionik semacam natrium khlorida (NaCl) dibentuk oleh gaya tarik antara ion bermuatan positif dan negatif. Kristal ionik biasanya memiliki titik leleh tinggo dan hantaran listrik yang rendah. Namun, dalam larutan atau dalam lelehannya, kristal ionik terdisosiasi menjadi ion-ion yang memiliki hantaran listrik. Biasanya diasumsikan bahwa terbentuk ikatan antara kation dan anion. Dalam kristal ion natrium khlorida, ion natrium dan khlorida diikat oleh ikatan ion. Berlawanan dengan ikatan kovalen, ikatan ion tidak memiliki arah khusus, dan akibatnya, ion natrium akan berinteraksi dengan semua ion khlorida dalam kristal, walaupun intensitas interaksi beragam. Demikian juga, ion khlorida khl orida akan berinteraksi dengan semua ion natrium dalam kris tal. Susunan ion dalam kristal ion yang paling stabil adalah susunan dengan jumlah kontak antara partikel bermuatan berlawanan terbesar, atau dengan kata lain, bilangan koordinasinya terbesar. Namun, ukuran kation berbeda dengan ukuran anion, dan akibatnya, ada kecenderungan anion yang lebih besar akan tersusun terjejal, dan kation yang lebih kecil akan berada di celah antar anion. Dalam kasus natrium khlorida, anion khlorida (jari-jari 0,181 nm) akan membentuk susunan kisi berpusat muka dengan jarak antar atom yang agak panjang sehingga kation natrium yang lebih kecil (0,098 nm) dapat dengan mudah diakomodasi dalam ruangannya . Setiap ion natrium dikelilingi oleh enam ion khlorida (bilangan koordinasi = 6). Demikian juga, setiap ion khlorida dikelilingi oleh enam ion natrium (bilangan koordinasi = 6)
Masing-masing ion dikelilingi oleh enam ion yang muatannya berlawanan. Struktur ini bukan struktur terjejal.
Dalam cesium khlorida, ion cesium yang lebih besar (0,168nm) dari ion natrium dikelilingi oleh 8 ion khlorida membentuk koordinasi 8:8. Ion cesium maupun khlorida seolah secara independen membentuk kisi kubus sederhana, dan satu ion cesium terletak di pusat kubus yang dibentuk oleh 8 ion klorida.
Jelas bahwa struktur kristal garam bergantung pada rasio ukuran kation dan anion. Bila rasio (jarijari kation)/(jari-jari anion) (r C/r A) lebih kecil dari nilai rasio di natrium khlorida, bilangan koordinasinya akan lebih kecil dari enam. Dalam zink sulfida, ion zink dikelilingi hanya oleh empat ion sulfida. Masalah ini dirangkumkan di tabel t abel Rasio jari-jari kation rC dan anion rA dan bilangan koordinasi. Rasio jari-jari rC/rA
Bilangan koordinasi
contoh
0,225-0,414
4
ZnS
0,414-0,732
6
Sebagian besar halida logam alkali
>0,732
8
CsCl, CsBr, CsI
c. Kristal Molekular Kristal dengan molekul terikat oleh gaya antarmolekul semacam gaya van der Waals disebut dengan kristal molekul. Kristal yang didiskusikan selama ini tersusun atas suatu jenis ikatan kimia antara atom atau ion. Namun, kristal dapat terbentuk, tanpa bantuan ikatan, tetapi dengan interaksi lemah antar molekulnya. Bahkan gas mulia mengkristal pada temperatur sangat rendah. Argon mengkristal dengan gaya van der Waaks, dan titik lelehnya -189,2°C. Padatan argon berstruktur kubus terjejal. Molekul diatomik semacam iodin tidak dapat dianggap berbentuk bola. Walaupun tersusun teratur di kristal, arah molekulnya bergantian). Namun, karena strukturnya yang sederhana, permukaan kristalnya teratur. Ini alasannya mengapa kristal iodin memiliki kilap.
Struktur kristal iodin. Strukturnya berupa kisi ortorombik berpusat muka. Molekul di pusat setiap muka ditandai dengan warna lebih gelap. Pola penyusunan kristal senyawa organik dengan struktur yang lebih rumit telah diselidiki dengan analisis kristalografi sinar-X. Bentuk setiap molekulnya dalam banyak kasus mirip atau secara esensi identik dengan bentuknya dalam fasa gas atau dalam larutan.
d. Kristal Kovalen Banyak kristal memiliki struktur mirip molekul-raksasa atau mirip polimer. Dalam kristal seperti ini semua atom penyusunnya (tidak harus satu jenis) secara berulang saling terikat dengan ikatan kovelen sedemikian sehingga gugusan yang dihasilkan nampak dengan mata telanjang. Intan adalah contoh khas jenis kristal seperti ini, dan kekerasannya berasal dari jaringan kuat yang terbentuk oleh ikatan kovalen orbital atom karbon hibrida sp 3 (Gambar 8.12). Intan stabil sampai 3500°C, dan pada temperatur ini atau di atasnya intan akan menyublim. Kristal semacam silikon karbida (SiC) n atau boron nitrida (BN) n memiliki struktur yang mirip dengan intan. Contoh yang sangat terkenal juga adalah silikon dioksida (kuarsa; SiO2) (Gambar 8.13). Silikon adalah tetravalen, seperti karbon, dan mengikat empat atom oksigen membentuk tetrahedron. Setiap atom oksigen terikat pada atom silikon lain. Titik leleh kuarsa adalah 1700 °C.Struktur kristal intan
Sudut ∠C-C-C adalah sudut tetrahedral, dan setiap atom karbon dikelilingi oleh empat atom karbon lain. l ain.
Struktur kristal silikon dioksida Bila atom oksigen diabaikan, atom silikon akan membentuk struktur mirip intan. Atom oksigen berada di antara atom-atom silikon. s ilikon.
e. Kristal cair Kristal memiliki titik leleh yang tetap, dengan kata laun, kristal akan mempertahankan temperatur dari awal hingga akhir proses pelelehan. Sebaliknya, titik leleh zat amorf berada di nilai temperatur yang lebar, dan temperatur selama proses pelelehan akan bervariasi. Terdapat beberapa padatan yang berubah menjadi fasa cairan buram pada temperatur tetap tertentu yang disebut temperatur transisi sebelum zat tersebut akhirnya meleleh. Fasa cair ini memiliki sifat khas cairan seperti fluiditas dan tegangan permukaan. Namun, dalam fasa cair, molekul-molekul pada derajat tertentu mempertahankan susunan teratur dan sifat optik cairan ini agak dekat
dengan sifat optik kristal. Material seperti ini disebut dengan kristal cair. Molekul yang dapat menjadi kristal cair memiliki fitur struktur umum, yakni molekulmolekul ini memiliki satuan struktural planar semacam cincin benzen. Di Gambar, ditunjukkan beberapa contoh ristal cair.
Beberapa contoh kristal cair Dalam kristal-kristal cair ini, dua cincin benzen membentuk rangka planar. Terdapat tiga jenis kristal cair: smektik, nematik, dan kholesterik.
Hubungan struktural antara kristal padat-smektik, nematik dan kholesterik secara skematik ditunjukkan di Kristal cair digunakan secara luas untuk t ujuan praktis semacam layar TV atau j am tangan.
Keteraturan dalam kristal cair. Keteraturan adalm kristal adalah ti ga dimensi. Dalam kristal cair smektik dapat dikatakan keteraturannya di dua dimensi, dan di nematik satu dimensi. T adalah temperatur transisi.
STRUKTUR KRISTAL
Struktur Kristal
Kristal merupakan susunan atom-atom yang teratur dalam ruang tiga dimensi. Keteraturan susunan tersebut terjadi karena kondisi geometris yang harus memenuhi adanya ikatan atom yang berarah dan susunan yang rapat. Walaupun tidak mudah untuk menyatakan bagaimana atom tersusun dalam padatan, namun ada hal-hal yang diharapkan menjadi faktor penting yang menentukan terbentuknya polihedra koordinasi susunan atomatom. Secara ideal, susunan polihedra koordinasi paling stabil adalah yang memungkinkan terjadinya energi per satuan volume yang minimum. Keadaan tersebut dicapai jika: (1) kenetralan listrik terpenuhi, (2) ikatan kovalen yang diskrit dan terarah terpenuhi, (3) gaya tolak ion-ion menjadi minimal, (4) susunan atom serapat mungkin. Kisi
Ruang Bravais Dan Susunan Atom Pada Kristal
Kisi ruang ( space space lattice) lattice) adalah susunan titik-titik dalam ruang tiga dimensi dimana setiap titik memiliki lingkungan yang serupa. Titik dengan lingkungan yangserupa itu disebut simpul simpul kisi (lattice points). points). Simpul kisi dapat disusun hanya dalam 14 susunan yang berbeda, yang disebut kisi-kisi Bravais. Bravais. Jika atom-atom dalam kristal membentuk susunan teratur yang berulang maka atom-atom dalam kristal haruslah tersusun dalam salah satu dari 14 bentuk kisi-kisi tersebut. Perlu dicatat bahwa setiap simpul kisi bisa ditempati oleh lebih dari satu atom, dan atom atau kelompok atom yang menempati tiap-tiap simpul kisi haruslah identik dan memiliki orientasi sama sesuai dengan pen gertian simpul kisi. Karena kristal yang sempurna merupakan susunan atom secara teratur dalam kisi ruang, maka susunan atom tersebut dapat dinyatakan secara lengkap dengan menyatakan posisi atom dalam suatu kesatuan yang berulang. Kesatuan yang berulang di dalam kisi ruang itu disebut disebut sel ). Jika posisi sel unit (unit cell ). atom dalam padatan dapat dinyatakan dalam sel unit ini, maka sel unit itu merupakan sel merupakan sel unit struktur kristal . Rusuk dari suatu sel unit dalam struktur kristal haruslah merupakan translasi kisi, yaitu vektor yang menghubungkan dua simpul kisi.
Sistem
Sumbu (axes)
Sudut sumbu (axial angles)
Kubik
a = b = c
a = b = g
= 900
Tetragonal
a = b ¹ c
a = b = g
= 900
Ortorombik
a ¹ b ¹ c
a = b = g
= 900
Monoklinik
a ¹ b ¹ c
a - g
Triklinik
a ¹ b ¹ c
a ¹ b ¹ g
Hexagonal
a = a ¹ c
a = b = 900 ;
Rombohedrall Rombohedra
a = b = c
a = b = g
- 900 ¹ b = 900 g
= 1200
¹ 900
BIDANG KRISTAL
Bidang kristal adalah bidang-bidang atom dalam suatu kisi kristal. Arah ^ (tegak lurus) bidang kristal disebut sebagai arah kristal.
Suatu kristal tentunya memiliki bidang-bidang bidang-bidang atom yang mempenga-ruhi mempenga-ruhi sifat dan perilaku bahan. Baik bidang, maupun arah bidang dinyatakan dalam 3 angka yang disebut sebagai indeks miller .
Untuk membedakannya, maka :
a.
Untuk arah bidang digunakan simbol atau lambang [ h, k, l ]
Contoh :
b.
[ 1, 1, 1 ]
Untuk bidang bidang kristal kristal digunakan digunakan lambang ( h, k, l )
Contoh : ( 1, 1, 1 )
Bidang kisi yang paling mudah digambarkan adalah bidang-bidang yang membatasi sel satuan di samping bidang lainnya. h, k, l, tersebut adalah bilang-bilangan bulat seperti 0, 1, 2, 3, dan seterusnya yang dapat ditentukan dengan cara sebagai berikut :
1.
Tentukan panjang perpotongan bidang kristal terhadap ketiga sumbu
kristal misalnya misalnya x1, x1, y1 , z1. x1, y1 y1 dan z1 dinyatakan dalam kelipatan kelipatan besaran-besaran besaran-besaran sel satuan a, b, dan c.
Contoh : x1 = p1 a
y1 = p2 b
z1 = p3 c.
2. Ketiga nilai p1 , p2 dan p3 dapat dikalikan/dibagi dengan faktor yang sama untuk memberikan bilangbilangan integer terkecil (tentukan dulu dulu kebalikannya !)
Contoh :
Bidang yang diarsir memotong memotong sumbu x, y, z masing-masing di a, 2b , dan 2/3c . Untuk satu unit sel maka bidang tersebut berpotongan di 1, 2, 2/3. Kebalikannya : 1,1/2, dan 3/2.
Indeks Miller h, k, l dapat dikalikan Receprocal dengan bilangan yang memberikan bilangan bulat terkecil yaitu dengan 2. Sehingga bidangnya bidangnya menjadi 213 ; Jadi bilangan tersebut (2, 1, 3).
Catatan:
Indeks Miller adalah kebalikan kebalikan dari perpotongan suatu suatu bidang dgn ke-tiga sumbu x,y dan z yang dinyatakan dalam bilangan utuh bukan bukan pecahan. Indeks miller yang biasanya bertanda negative (-) berarti menunjukkan bidang pada arah tertentu, (misalnya perpotongan tsb ada di + ½, + ½ dan – 1/3 maka receprocalnya 2, 1, 1, dan –3).
Maka bidang dengan indeks Miller semacam ini ditulis (2, 1, 3).
Family bidang adalah sekelompok bidang memiliki karakteristik yang sama tetapi memiliki indeks Millerr yang berbeda satu dengan lainnya.
Misalkan : notasi untuk family bidangnya adalah {1 1 0}, maka bidang-bidangnya adalah : (1, 1, 0), (1, 0, 1), (0, 1, 1), (1, 1, 0), (1, 1, 0) DENSITAS BIDANG DAN DENSITAS GARIS
Densitas bidang atau Planar Density (PD) adalah fraksi bidang kristal yang ditempati oleh atom- atom kristal. Sedangkan densitas garis atau Linier Density (LD) adalah fraksi garis sepanjang arah kristal yang melewati pusat-pusat atom.
Sistem ini juga disebut sistem kristal regular, atau dikenal pula dengan sistem kristal kubus atau kubik. Jumlah sumbu kristalnya ada 3 dan saling tegak lurus satu dengan yang lainnya. Dengan perbandingan panjang yang sama untuk masingmasing sumbunya. Pada kondisi sebenarnya, sistem kristal Isometrik memiliki axial ratio (perbandingan sumbu a = b = c, yang artinya panjang sumbu a sama dengan sumbu
b dan sama dengan sumbu c. Dan juga memiliki sudut kristalografi α = β = γ = 90˚. Hal ini berarti, pada sistem ini, semua sudut kristalnya ( α , β dan γ ) tegak lurus satu sama lain (90˚).
Gambar 1 Sistem Isometrik Pada penggambaran dengan menggunakan proyeksi orthogonal, sistem Isometrik memiliki perbandingan sumbu a : b : c = 1 : 3 : 3. Artinya, pada sumbu a ditarik garis dengan nilai 1, pada sumbu b ditarik garis dengan nilai 3, dan sumbu c juga ditarik garis dengan nilai 3 (nilai bukan patokan, hanya perbandingan). Dan
sudut antar sumbunya a+^bˉ = 30˚. Hal ini menjelaskan bahwa antara sumbu a+ memiliki nilai 30˚ terhadap sumbu bˉ. Sistem isometrik dibagi menjadi 5 Kelas :
Tetaoidal
Gyroida
Diploida
Hextetrahedral
Hexoctahedral
Beberapa contoh mineral dengan system kristal Isometrik ini adalah gold, pyrite, galena, halite, Fluorite (Pellant, chris: 1992)
Sama dengan system Isometrik, sistem kristal ini mempunyai 3 sumbu kristal yang masing-masing saling tegak lurus. Sumbu a dan b mempunyai satuan panjang sama. Sedangkan sumbu c berlainan, dapat lebih panjang atau lebih pendek. Tapi pada umumnya lebih panjang. Pada kondisi sebenarnya, Tetragonal memiliki axial ratio (perbandingan sumbu) a = b
≠ c , yang artinya panjang sumbu a sama dengan sumbu b tapi tidak sama dengan sumbu c. Dan juga memiliki s udut kristalografi α = β = γ = 90˚. Hal ini berarti, pada sistem ini, semua sudut kristalografinya ( α , β dan γ ) tegak lurus satu sama lain (90˚).
Gambar 2 Sistem Tetragonal Pada penggambaran dengan menggunakan proyeksi orthogonal, sistem kristal Tetragonal memiliki perbandingan sumbu a : b : c = 1 : 3 : 6. Artinya, pada sumbu a ditarik garis dengan nilai 1, pada sumbu b ditarik garis dengan nilai 3, dan sumbu c ditarik garis dengan nilai 6 (nilai bukan patokan, hanya perbandingan). Dan sudut antar sumbunya a+^bˉ = 30˚. Hal ini menjelaskan bahwa antara sumbu a+ memiliki
nilai 30˚ terhadap sumbu bˉ. Sistem tetragonal dibagi menjadi 7 kelas:
Piramid
Bipiramid
Bisfenoid
Trapezohedral
Ditetragonal Piramid
Skalenohedral
Ditetragonal Bipiramid Beberapa contoh mineral dengan sistem kristal Tetragonal ini adalah rutil, autunite, pyrolusite, Leucite, scapolite (Pellant, Chris: 1992)
Sistem ini mempunyai 4 sumbu kristal, dimana sumbu c tegak lurus terhadap ketiga sumbu lainnya. Sumbu a, b, dan d masing-masing membentuk sudut 120˚ terhadap satu sama lain. Sambu a, b, dan d memiliki panjang sama. Sedangkan panjang c berbeda, dapat lebih panjang atau lebih pendek (umumnya lebih panjang). Pada kondisi sebenarnya, sistem kristal Hexagonal memiliki axial ratio
(perbandingan sumbu) a = b = d ≠ c , yang artinya panjang sumbu a sama dengan sumbu b dan sama dengan sumbu d, tapi tidak sama dengan sumbu c. Dan juga
memiliki sudut kristalografi α = β = 90˚ ; γ = 120˚. Hal ini berarti, pada sistem ini, sudut α dan β saling tegak lurus dan membentuk sudut 120˚ terhadap sumbu γ.
Gambar 3 Sistem Hexagonal Pada penggambaran dengan menggunakan proyeksi orthogonal, sistem Hexagonal memiliki perbandingan sumbu a : b : c = 1 : 3 : 6. Artinya, pada sumbu a ditarik garis dengan nilai 1, pada sumbu b ditarik garis dengan nilai 3, dan sumbu c ditarik garis dengan nilai 6 (nilai bukan patokan, hanya perbandingan). Dan sudut
antar sumbunya a+^bˉ = 20˚ ; dˉ^b+= 40˚. Hal ini menjelaskan bahwa antara sumbu a+ memiliki nilai 20 ˚ terhadap sumbu bˉ dan sumbu dˉ membentuk sudut 40˚ terhadap sumbu b+. Sistem ini dibagi menjadi 7:
Hexagonal Piramid
Hexagonal Bipramid
Dihexagonal Dihexagonal Piramid
Dihexagonal Dihexagonal Bipiramid
Trigonal Bipiramid
Ditrigonal Bipiramid
Hexagonal Trapezohedral
Beberapa contoh mineral dengan sistem kristal Hexagonal ini adalah quartz, corundum, hematite, calcite, dolomite, apatite. (Mondadori, Arlondo. 1977)
Jika kita membaca beberapa referensi luar, sistem ini mempunyai nama lain yaitu Rhombohedral, selain itu beberapa ahli memasukkan sistem ini kedalam sistem kristal Hexagonal. Demikian pula cara penggambarannya juga sama. Perbedaannya, bila pada sistem Trigonal setelah terbentuk bidang dasar, yang terbentuk segienam, kemudian dibentuk segitiga dengan menghubungkan dua titik sudut yang melewati satu titik sudutnya. Pada kondisi sebenarnya, Trigonal memiliki axial ratio (perbandingan sumbu) a
= b = d ≠ c , yang artinya panjang sumbu a sama dengan sumbu b dan sama dengan sumbu d, tapi tidak sama dengan sumbu c. Dan juga memiliki sudut kristalografi α = β = 90˚ ; γ = 120˚. Hal ini berarti, pada sistem ini, sudut α dan β saling tegak lurus dan membentuk sudut 120˚ terhadap sumbu γ.
Gambar 4 Sistem Trigonal Pada penggambaran dengan menggunakan proyeksi orthogonal, sistem kristal Trigonal memiliki perbandingan sumbu a : b : c = 1 : 3 : 6. Artinya, pada sumbu a ditarik garis dengan nilai 1, pada sumbu b ditarik garis dengan nilai 3, dan sumbu c ditarik garis dengan nilai 6 (nilai bukan patokan, hanya perbandingan). Dan sudut
antar sumbunya a+^bˉ = 20˚ ; dˉ^b+= 40˚. Hal ini menjelaskan bahwa antara sumbu a+ memiliki nilai 20˚ terhadap sumbu bˉ dan sumbu dˉ membentuk sudut 40˚ terhadap sumbu b+. Sistem ini dibagi menjadi 5 kelas:
Trigonal piramid
Trigonal Trapezohedral
Ditrigonal Piramid
Ditrigonal Skalenohedral
Rombohedral Beberapa contoh mineral dengan sistem kristal Trigonal ini adalah tourmalinedan cinabar (Mondadori, Arlondo. 1977)
Sistem ini disebut juga sistem Rhombis dan mempunyai 3 sumbu simetri kristal yang saling tegak lurus satu dengan yang lainnya. Ketiga sumbu tersebut mempunyai panjang yang berbeda. Pada
kondisi
sebenarnya,
sistem
kristal
Orthorhombik
memiliki
axial
ratio
(perbandingan sumbu) a ≠ b ≠ c , yang artinya panjang sumbu-sumbunya tidak ada yang sama panjang atau berbeda satu sama lain. Dan juga memiliki sudut
kristalografi α = β = γ = 90˚. Hal ini berarti, pada sistem ini, ketiga sudutnya saling tegak lurus (90˚).
Gambar 5 Sistem Orthorhombik Pada penggambaran dengan menggunakan proyeksi orthogonal, sistem Orthorhombik memiliki perbandingan sumbu a : b : c = sembarang. Artinya tidak ada patokan yang akan menjadi ukuran panjang pada sumbu-sumbunya pada sistem ini.
Dan sudut antar sumbunya a+^bˉ = 30˚. Hal ini menjelaskan bahwa antara sumbu a+ memiliki nilai 30˚ terhadap sumbu bˉ. Sistem ini dibagi menjadi 3 kelas:
Bisfenoid
Piramid
Bipiramid Beberapa contoh mineral denga sistem kristal Orthorhombik ini adalah stibnite, chrysoberyl, aragonite dan witherite (Pellant, chris. 1992)
Monoklin artinya hanya mempunyai satu sumbu yang miring dari tiga sumbu yang dimilikinya. Sumbu a tegak lurus terhadap sumbu n; n tegak lurus terhadap sumbu c, tetapi sumbu c tidak tegak lurus terhadap sumbu a. Ketiga sumbu tersebut
mempunyai panjang yang tidak sama, umumnya sumbu c yang paling panjang dan sumbu b paling pendek. Pada kondisi sebenarnya, sistem Monoklin memiliki axial ratio (perbandingan
sumbu) a ≠ b ≠ c , yang artinya panjang sumbu -sumbunya tidak ada yang sama panjang atau berbeda satu sama lain. Dan juga memiliki sudut kristalografi α = β = 90˚ ≠ γ. Hal ini berarti, pada ancer ini, sudut α dan β saling tegak lurus (90˚), sedangkan γ tidak tegak lurus (miring).
Gambar 6 Sistem Monoklin Pada penggambaran dengan menggunakan proyeksi orthogonal, sistem kristal Monoklin memiliki perbandingan sumbu a : b : c = sembarang. Artinya tidak ada patokan yang akan menjadi ukuran panjang pada sumbu-sumbunya pada sistem ini.
Dan sudut antar sumbunya a+^bˉ = 30˚. Hal ini men jelaskan bahwa antara sumbu a+ memiliki nilai 45˚ terhadap sumbu bˉ. Sistem Monoklin dibagi menjadi 3 kelas:
Sfenoid
Doma
Prisma Beberapa contoh mineral dengan ancer kristal Monoklin ini adalah azurite, malachite, colemanite, gypsum, dan epidot (Pellant, chris. 1992)
Sistem ini mempunyai 3 sumbu simetri yang satu dengan yang lainnya tidak saling tegak lurus. Demikian juga panjang masing-masing sumbu tidak sama. Pada kondisi sebenarnya, sistem kristal Triklin memiliki axial ratio (perbandingan
sumbu) a ≠ b ≠ c , yang artinya panjang sumbu -sumbunya tidak ada yang sama panjang atau berbeda satu sama lain. Dan juga memiliki sudut kristalografi α = β ≠ γ ≠ 90˚. Hal ini berarti, pada system ini, sudut α, β dan γ tidak saling tegak lurus satu dengan yang lainnya.
Gambar 7 Sistem Triklin Pada penggambaran dengan menggunakan proyeksi orthogonal, Triklin memiliki perbandingan sumbu a : b : c = sembarang. Artinya tidak ada patokan yang akan menjadi ukuran panjang pada sumbu-sumbunya pada sistem ini. Dan sudut antar
sumbunya a+^bˉ = 45˚ ; bˉ^c+= 80˚. Hal ini menjelaskan bahwa antara sumbu a+ memiliki nilai 45˚ terhadap sumbu bˉ dan bˉ membentuk sudut 80˚ terhadap c+. Sistem ini dibagi menjadi 2 kelas:
Pedial
Pinakoidal Beberapa contoh mineral dengan ancer kristal Triklin ini adalah albite, anorthite, labradorite, kaolinite, microcline dan anortoclase (Pellant, chris. 1992) Karakteristik gejala polimorfisme Polimorfisme dalam ilmu material adalah kemampuan suatu benda padat memiliki lebih dari satu bentuk atau struktur kristal.Polimorf memiliki kestabilan yang berbeda dan dapat terkonversi secara spontan dari bentuk metastabil (bentuk tidak stabil) ke bentuk stabil terbentuk pada suhu tertentu. Mereka juga menunjukkan perbedaan titik leleh , kelarutan, dan pola difraksi sinar-X. Selain perubahan suhu, struktur kristal berubah dengan adanya perubahan tekanan. Perubahan bentuk kristal disertai dengan perubahan densitas, perubahan bilangan oksidasi, perubahan warna serta perubahan data elektrokimia (energi bebas). Beberapa contoh padatan yang mengalami polimorfisme, antara a ntara lain : Logam Uranium dapat menjadi 3 bentuk struktur kristal berbeda. Tiap struktur memiliki fasa yang spesifik, seperti pada gambar di bawah ini.
1.
Fasa alfa, pada temperature ruangan sampai 663°C
2.
Fasa beta, pada suhu 663°C hingga 764°C
3.
Fasa beta, pada suhu 764°C hingga titik lelehnya, yaitu 1133°C
Logam besi memiliki beberapa bentuk kristal. Perubahan suhu dan tekanan mempengaruhi perubahan bentuk kristal besi. Hal tersebut dapat diamati pada
diagram di bawah ini :
Keterangan (pada tekanan 1 bar) • ferit (besi alpha) - terbentuk di bawah 1043 K (titik Curie, Tc); besi menjadi magnet dalam bentuk alfa (BCC) •
Fasa beta – terbentuk di bawah 1185 K ; strukrtur kristal BCC
•
Fasa gamma - formulir di bawah 1667 K; struktur kristal FCC
• Fasa delta - terbentuk dari pendinginan besi cair di bawah 1811 K ; struktur kristal BCC Ciri dari padatan yang dapat mengalami polymorfisme, antara lain: Polimorf memiliki kestabilan yang berbeda dan spontan dapat mengkonversi dari bentuk metastabil (atau termodinamika bentuk tidak stabil) ke stabil terbentuk pada suhu tertentu. Menurut aturan Gibbs 'dari kesetimbangan fasa, fasa kristalin yang unik ini akan tergantung pada variabel intensif seperti tekanan dan temperatur. Polimorfisme berpotensi dapat ditemukan dalam bahan-bahan kristalin, termasuk polimer , mineral , dan logam , dan berhubungan dengan allotropy , yang mengacu pada unsur padat. Dalam hal termodinamika , ada dua jenis polimorfisme. Untuk sistem monotropic, sebuah plot energi bebas dari berbagai polimorf terhadap suhu tidak
akan terlewati terlewati sebelum polimorf meleleh seluruhnya. Dengan kata lain, setiap transisi dari satu polimorf menjadi polimorf lainnya akan ireversibel. Untuk sistem enantiotropic, sebuah plot energi bebas terhadap suhu menunjukkan titik persimpangan (crossing point) sebelum berbagai titik leleh, dan dimungkinkan untuk konversi secara reversibel antara dua polimorf pada pemanasan dan pendinginan. Suatu elemen yang mengalami perubahan bentuk kristal disertai perubahan energi yang kecil pada data termokimianya (energi bebas).
dengan
CACAT PADA KRISTAL Terdapat beberapa jenis cacat Kristal pada susunan atom dalam Kristal. Kita perlu ketahui bahwa kehadiran cacat Kristal yang sedikit memiliki pengaruh yang sangat besar dalam menentukan sifat suatu bahan dan pengaturan cacat sangat penting dalam pemrosesan bahan. Contoh relevansi cacat Kristal dalam kehidupan pada umumnya dan dalam bahan pada khususnya yaitu, ketika kita membeli cincin berlian, sebenarnya kita membayar untuk tipe cacat pada Kristal pada cincin berlian tersebut. Pembuatan device semikonduktor tidak hanya membutuhkan Silikon murni tetapi juga meliputi cacat Kristal tertentu pada sample. Menempa suatu logam akan menghasilkan cacat pada logam tersebut dan meningkatkan kekuatan dan kelenturan logam. Catatan, sifat-sifat tersebut dicapai tanpa mengubah komposisi penyusun bahan tetapi hanya manipulasi cacat Kristal. Berikut ini merupakan jenis-jenis cacat Kristal
Cacat titik yaitu adanya atom yang hilang atau terdapat sisipan atom asing dalam kisi (kekosongan, interstitial dan subtitutional , cacat Schottky dan cacat Frenkel) Cacat Linear yaitu sekelompok atom berada pada posisi yang menyimpang ( dislokasi tepi dan dislokasi screw) Cacat interfacial yaitu interface antara daerah sejenis pada bahan (permukaan eksternal, grain boundaries, dan twin boundaries)
gambar diatas merupakan representasi dua dimensi kristal sempurna dengan susunan atom yang benar. Namun kenyataannya tidak ada yan sempurna.
Jenis-Jenis Cacat Kristal
Berikut ini akan dijelaskan masing-masing cacat pada bahan padat.
Cacat Titik Cacat titik terdiri dari kekosongan, interstisial dan subtitutional, cacat Schottky dan cacat Frenkel
a. Kekosongan
Di alam ini tidak terdapat Kristal yang sempurna dengan susunan atom yang teratur. Selalu terdapat cacat dalam suatu Kristal, dan yang paling sering dijumpai adalah cacat titik. Hal ini terutama ketika temperature Kristal cukup tinggi dimana atom-atom bergetar dengan frekuensi tertentu dan secara acak dapat meninggalkan kisi, lokasi kisi yang ditinggalkan disebut vacancy atau kekosongan. Dalam kebanyakan kasus difusi atau transportasi massa oleh gerak atom juga dapat disebabkan oleh kekosongan.
Semakin tinggi suhu, semakin banyak atom yang dapat meninggalkan posisi kesetimbangannya dan semakin banyak kekosongan yang dapat dijumpai pada Kristal. Banyaknya kekosongan yang terjadi Nv meningkat dengan meningkatnya suhu Kristal dan banyaknya kekosongan ini dapat diperoleh dengan persamaan berikut (distribusi Boltzman)
Rj=Ro exp(-Em/kT)
Dalam persamaan ini, N adalah banyaknya atom dalam Kristal, Qv adalah energy yang dibutuhkan untuk membentuk vacancy atau kekosongan, T adalah
suhu kristal dalam Kelvin, dan k adalah konstanta Boltzman yang bernilai 1.38 x 10-23 J/atom-K, atau 8.62 x 10-5 eV/atom-K bergantung pada satuan Qv. Dengan menggunakan persamaan tersebut kita dapat mengestimasi bahwa pada suhu kamar terdapat satu kekosongan dalam 1015 kisi Kristal dan pada suhu tinggi atau suhu mendekati titik leleh zat padat terdapat satu kekosongan dalam 10000 atom.
Pada Kristal,atom membutuhkan energy untuk bergerak ke posisi kekosongan (misalnya energi termal) untuk lepas dari tetangga-tetangganya. Energi tersebut disebut energy aktivasi kekosongan, Em. Energi termal rata-rata atom biasanya lebih kecil dari energy aktivasi Em dan fluktuasi energy yang besar dibutuhkan untuk loncat. Peluang untuk fluktuasi atau frekuensi loncatan atom Rj, tergantung secara eksponensial terhadap suhu dan dapat digambarkan oleh persamaan yang ditemukan kimiawan Swedia Arrhenius:
Dimana R0 adalah frekuensi percobaan yang sebanding dengan frekuensi getaran atom
(kiri) Skema representasi kekosongan pada Kristal dalam 2 dimensi. (kanan) Skema representasi difusi atom dari posisi asalnya ke posisi kosong. Energy aktivasi Em telah diberikan pada atom sehingga atom dapat memutuskan ikatan antar atom dan pindah ke posisi yang baru.
b. Interstitial dan Subtitutional
Interstitial yaitu Penekanan atau penumpukan antara tempat kisi teratur. Jika atom interstitial adalah atom yang sejenis dengan atom-atom pada kisi maka disebut self interstitial. Terciptanya self-interstitial menyebabkan distorsi besar disekeliling kisi dan membutuhkan energy lebih dibandingkan dengan energy yang
dibutuhkan untuk membuat vacancy atau kekosongan (Ei>Ev), dan dibawah kondisi kesetimbangan, self-interstitial hadir dengan konsentrasi lebih rendah dari kekosongan. Jika atom-atom interstitial adalah atom asing, biasanya lebih kecil ukurannya (karbon, nitrogen, hydrogen, oksigen) disebut interstitial impurities. Mereka memperkenalkan distorsi kecil pada kisi dan banyak terdapat pada material nyata. Subtitutional yaitu Penggantian atom pada matriks Kristal. Jika atom asing mengganti atau mensubtitusi matriks atom, maka disebut subtitusional impurity.
Gambar diatas menunjukan skema representasi macam-macam cacat titik dalam Kristal (1) kekosongan, (2) self-interstitial, (3) Interstitial impurity, (4) (5) subtitutional impurities. Tanda panah menunjukan tekanan local yang dihasilkan oleh cacat titik. c. Cacat Schottky dan Cacat Frenkel Dalam Kristal ionic (misalnya garam dapur- Na+Cl-), ikatannya disebabkan oleh gaya Coulomb antara ion positif dan ion negatif. Cacat titik dalam Kristal ion adalah muatan itu sendiri. Gaya Coulomb sangat besar dan setiap muatan yang tidak seimbang memiliki kecenderungan yang kuat untuk menyeimbangkan diri. Untuk membuat muatan netral, beberapa cacat titik akan terbentuk. Cacat Frenkel adalah kekosongan pasangan ion dan cation interstitial. Atau kekosongan pasangan ion dan anion interstitial. Namun ukuran anion jauh lebih besar dari pada kation maka sangat sulit untuk membentuk anion interstitial. Cacat Schottky adalah kekosongan pasangan kation dan anion. Keduanya cacat Frenkel dan Schottky, pasangan cacat titik tetap berdekatan satu sama lain karena tarikan coulomb yang kuat antara muatan yang berlawanan.
Gambar diatas merupakan skema representasi dari (1) cacat Frenkel (kekosongan dan pasangan interstitial) dan cacat schottky (kekosongan pasangan kation dan anion) dalam Kristal ionic. 2. Cacat Linear Mengapa logam dapat terdeformasi plastis dan mengapa sifat deformasi plastis dapat diubah sangat besar dengan ditempa tanpa mengubah komposisi kimia adalah sebuah misteri pada ribuan tahun yang lalu. Hal ini menjadi misteri yang sangat besar ketika awal tahun 1900an para ilmuan memperkirakan bahwa logam mengalami deformasi plastis jika diberi gaya yang lebih kecil dari gaya yang mengikat atom-atom logam bersama, .
Kejelasan muncul pada tahun 1934 ketika Taylor, Orowan dan Polyani menemukan dislokasi. Dislokasi garis dapat dikenal dan dipikiran sebagai bidang kisi tambahan dimasukan kedalam Kristal, tetapi tidak diperpanjang ke seluruh Kristal tapi berakhir di dislokasi garis.
Gambar tiga dimensi penyisipan setengah bidang tambahan melalui pusat gambar.
Dislokasi adalah cacat garis. Ikatan interatomik secara signifkan terdistorsi hanya dalam daerah sekitar dislokasi garis yang cepat. Dislokasi juga membentuk deformasi elastic kecil kisi pada jarak yang jauh. Untuk menggambarkan ukuran dan arah distorsi kisi utama disebabkan oleh dislokasi, kita seharusnya memperkenalkan vector Burger b. Untuk menentukan vector burger , kita dapat membuat lintasan dari atom ke atom dan menghitung masing-masing jarak antar atom dalam segala arah. Jika lintasan melingkupi dislokasi, lintasan tidak akan ditutup. Vektor yang menutup loop merupakan vector Burger b.
Dislokasi dengan arah vector Burger tegak lurus dengan dislokasi disebut dislokasi tepi atau dislokasi edge. Ada tipe dislokasi kedua yang disebut screw dislocation. Screw dislocation sejajar dengan arah Kristal yang dipindahkan atau yang digeser (vector Burger sejajar dengan dislokasi garis). Hampir seluruh dislokasi yang ditemukan pada Kristal bahan tidak terdiri daru edge dislocation saja atau screw dislocation saja tetapi terdiri dari campuran keduanya atau disebut mix dislocation.
edge dislocation
screw dislocation
Gerak dislokasi mengikuti slip-deformasi plastis ketika ikatan interatomik patah dan terbentuk kembali. Sebenarnya, slip selalu terjadi melalui gerak dislokasi.
Lihatlah pada diagram diatas, kita akan mengerti mengapa dislokasi mengijinkan slip pada tekanan yang kecil yang diberikan pada Kristal yang sempurna. Jika setengah bagian atas Kristal di geser dan pada saat itu hanya fraksi kecil dari ikatan yang patah dan hal ini membutuhkan gaya yang cukup kecil. Pada proses pergeseran ini dislokasi terbentuk dan menyebar melalui Kristal. Penyebaran satu dislokasi melalui bidang menyebabkan setengah bidang atas tersebut bergerak terhadap bagian bawahnya tetapi kita tidak memecah semua ikatan pada tengah bidang secara simultan (dimana akan membutuhkan gaya yang sangat besar). Gerak dislokasi dapat dianalogikan dengan perpindahan ulat bulu. Ulat bulu harus mengadakan gaya yang besar untuk memindahkan seluruh tubuhnya pada waktu yang sama. Untuk itu bagian belakang tubuh akan bergerak ke depan sedikit dan membentuk punggung bukit. Punggung bukit lalu menyebar terus dan memindahkan ulat bulu. Cara yang sama digunakan untuk memindahkan karpet yang besar. Daripada memindahkan seluruhnya pada waktu yang bersamaan, kita
dapat membuat punggung bukit pada karpet dan mendorongnya menyebarangi lantai.
3. Cacat interfacial
Kristal tunggal terkadang dapat ditemukan dalam material nyata yang tidak sedikit kondisi pertumbuhannya secara khusus di desain dan di atur sebagai contoh ketika memproduksi Kristal tunggal silicon untuk device mikroelektronik atau bilah untuk turbin yang terbuat dari super alloy. Zat padat pada umumnya terdiri dari beberapa Kristal-kristal kecil atau grain. Grain dapat berukuran dari ordo nanometer hingga millimeter dan orientasi bidang atom diputar terhadap grain tetangganya. Material ini disebut polikristal. Grain-grain tunggal dipisahkan oleh batas grain atau grain Boundaries, yaitu daerah yang berdensitas kecil dan twin boundaries.
a. Permukaan eksternal
Salah satu batas yang selalu ada adalah permukaan luar atau permukaan eksternal, dimana permukaan ada disetiap ujung Kristal. Di permukaan, atom tidak memiliki jumlah tetangga maksimum sehingga jumlah ikatanya lebih kecil dan memiliki keadaan energy yang lebih besar dari atom atom yang berada dibagian dalam. Ikatan atom pada permukaan Kristal yang tidak terikat memberikan energy permukaan yang diekspresikan dalam satuan energy persatuan luas permukaan (J/m2 atau org/cm2). Untuk mengurangi energy tersebut, suatu bahan cenderung untuk memperkecil permukaannya. Namun untuk zat padat hal ini sulit karena memiliki sifat yang kaku.
b. Grain Boundaries
Jenis lain dari cacat interfacial adalah grain boundaries yaitu batas yang memisahkan dua grain kecil atau Kristal yang memiliki struktur Kristal yang berbeda dalam bahan polikristalin. Didalam daerah batas, dimana terdapat jarak cukup lebar diantara atom, terdapat beberapa atom yang hilang dalam transisi dari orientasi Kristal dalam satu grain ke grain yang berdekatan.
Bermacam-macam ketidak sejajaran kristalografi diantara grain yang berdekatan merupakan hal yang mungkin. Ketika orientasi yang tidak cocok ini diabaikan atau derajatnya kecil maka bentuk sudut kecil grain boundaries digunakan.Batas ini dapat digambarkan dalam bentuk susunan dislokasi. Salah satu contoh sederhana dari sudut kecil grain boundaries dibentuk ketika dislokasi tepi disejajarkan seperti pada gambar 1. Jenis ini disebut tilt boundaries atau batas kemiringan. Jika sudut kecil dibentuk dari susunan dislokasi screw maka disebut twist boundaries.
Atom-atom disekitar batas diikat dengan jumlah kurang dari yang diperlukan dan konsekuensinya terdapat energy grain boundary yang serupa dengan energy permukaan eksternal. Besarnya energy ini merupakan fungsi dari derajat misorientasi dan menjadi besar jika sudut batasnya besar. Grain boundaries sifat kimianya lebih reaktif dari grain-grain itu sendiri sebagai akibat dari kehadiran energy tersebut. Lebih jauh lagi atom-atom yang tidak murni terpisahkan secara khusus karena tingkat energinya yang lebih besar. Energi interfacial total material bergrain kasar lebih kecil daripada material bergrain halus karena pada grain
kasar memiliki area batas grain total yang kecil. Jumlah grain meningkat dengan meningkatnya suhu untuk mengurangi energy total batas.
Kita dapat membedakan antara sudut batas grain kecil dan sudut batas grain besar. Hal ini mungkin untuk menjelaskan sudut batas kecil grain sebagai kesatuan dislokasi. Gambar disamping merupakan transmisi mikroskop electron dari kemiringan sudut batas grain kecil silicon. Garis merah menandakan dislokasi tepi atau edge dislocation dab garis biru mengindikasikan kemiringan sudut. Jenis lain dari cacat permukaan dalam kisi adalah stacking fault dimana rentetan bidang atom memiliki kesalahan.
Walaupun susunan atom tidak teratur dan ikatan yang seharusnya sangat kurang, material polikristalin sangat kuat. Gaya kohesif didalam dan sepanjang batas terbentuk. Lebih jauh, densitas polikristalin sebenarnya serupa dengan Kristal tunggal pada bahan yang sama.
c. Twin Boundaries
Twin boundaries atau batas kembar merupakan jenis khusus dari grain boundaries dimana terdapat cermin kisi yang simetri. Atom dalam satu sisi batas ditempatkan sebagai cermin atom pada sisi yang lainnya. Daerah diantara dua sisi tersebut terbentuk bidang twin. Batas kembar dihasilkan dari perpindahan atom yang diproduksi oleh gaya mekanik yang dikerjakan pada bahan (mechanic twin) dan juga terbentuk selama proses annealing panas yang mengikuti deformasi (annealing twins). Perkembaran terjadi pada bidang Kristal tertentu dan arah tertentu juga dan keduannya tergantung pada struktur Kristal. Annealing twin adalah tipe yang ditemukan dalam metal yang berstruktur berstruktur FCC dan mechanic twin dapat di observasi pada logam berstruktur BCC dan HCP.
Cacat pada Kristal dapat mengubah sifat listrik dan mekanik bahan. Kekosongan pada Kristal dapat mengubah sifat listrik bahan. Sebagai contoh, kita memanfaatkan kekosongan pada Kristal silicon untuk pendopingan oleh phospor sehingga terbentuk semikonduktor tipe n. Selain itu cacat Kristal seperti kekosongan, dislokasi, dan boundaries dapat meingubah sifat mekanik bahan. Grain Boundaries dapat menghambat difusi atom dan gerak dislokasi sehingga deformasi bahan sulit terjadi. Semakin kecil grain, semakin kuat bahan tersebut.
Ukuran grain dapat diatur dengan laju pendinginan. Laju pendinginan yang cepat menghasilkan grain-grain yang kecil sedangkan proses-proses pendinginan yang lambat menghasilkan grain-gran yang besar.
DISLOKASI
Line defect yang paling banyak dijumpai adalah dislokasi. Secara geometris, dislokasi dapat digambarkan seperti di bawah ini :
Dislokasi ini dapat digambarkan sebagai sisipan satu bidang atom tambahan dalam struktur kristal. Garis dislokasi dalam gambar tersebut adalah garis tegak lurus (^) pada bidang gambar. Di daerah garis sekitar dislokasi terjadi distorsi kisi yang besifat lokal. Daerah-daerah yang jauh dari garis dislokasi, derajat distorsi lokalnya menurun dan susunan atomnya kembali normal.
Distorsi kisi tersebut dapat berupa tekanan dan tegangan sehingga terdapat energi tambahan sepanjang dislokasi tersebut. Jarak geser atom di sekitar dislokasi disebut vektor geser b* (burger vectors) yang mana tegak lurus pad garis dislokasi.
Ada 2 jenis dislokasi, yaitu : - EDGE – DISLOCATION (dislokasi ulir)
(dislokasi sisi)
dan
- SCREW – DISLOCATION
Di dalam material biasanya ditemukan gabungan antara edge dislocation dan screw diclocation yang biasa disebut dislokasi campuran. Dislokasi dapat berpindah-pindah ataupun bergerak. Proses dimana deformasi plastis dikarenakan gerakan gerakan dislokasi yang berpindah-pindah tersebut biasanya dinamakan dengan SLIP.
Bidang, dimana garis dislokasi melintang disebut BIDANG SLIP, sedangkan arah gerakan dislokasi disebut ARAH SLIP. Bila ditinjau secara khusus , ternyata ternyata gerakan dislokasi pada berbagai bidangn kritis adalah tidak sama sehingga dengan perkataan lain dapat dikatakan bahwa terdapat arah dan bidang kristal yang meudahkan dislokasi terssebut bergerak yang disebut dengan nama PREFFERED PLANE. –
Bidang-bidang dan arah bidang yang memudahkan dislokasi tersebut bergerak pada umumnya adalah bidang-bidang kristal yang memiliki planar density yang tinggi. Sedangkan arah gerakan dislokasi pada bidang kristal dengan planar density yang tinggi merupakan arah slip.
Dengan perkataan lain arah slip yang diinginkan adalah arah dengnn Linier density yang tinggi.
SURFACE DEFECTS (PLANAR DEFECTS)
Planar defect (dapat berupa cacat pada permukaan-permukaan luar, twin boundary, batas-batas fasa, batas butir) pada material (dimana) akan memisahkan material tersebut atas beberapa bagian yang mana tiap-tiap bagian akan memiliki struktur kristal yang sama tetapi berbeda arah kristalnya.
Permukaan Material
Ketidak-sempurnaan kristal dalam dua dimensi merupakan suatu batas, dimana batas yang nyata adalah permukaan luar. Permukaan dapat diilustrasikan sebagai batas struktur kristal sehingga kita dapat melihat bahwa koordinasi atom pada permukaan tidak sama dengan koordinasi atom dalam kristal. Dengan kata lain : Atom permukaan hanya mempunyai tetangga pada satu sisi saja, sehingga memiliki energi yang lebih tinggi dimana ikatannya menjadi kurang kuat. Karena atom-atom ini tidak seluruhnya dikekelingi oleh atom lainnya, maka energinya jadi lebih banyak dibandingkan dengan atom di dalamnya. Contoh idealnya:
Tetesan cairan yang berbentuk bulat maka luas permukaannya per satuan volume tetesan harus minimal (sehingga E permukaannya minimmal). Penyerapan permukaan merupakan adanya perbedaan energi pada permukaan tersebut. Batas Butir
Bentuk butir dalam solid material biasanya diatur oleh adanya butir-butir lain di sekitarnya dimana dalam setiap butir, semua selnya teratur dalam satu arah dan satu pola yang tertentu. Pada grain boundary (batas butir), antara dua butir yang berdekatan terdapat daerah transisi yang tidak searah dengan pola dalam kedua
butir tersebut.
VOLUME DEFECTS Volume defects pada material dapat berupa : crack (retak)/pori-pori, inklusi, presipitat, fasa kedua dan lain sebagainya. Kehadiran volume defect di dalam materiaal biasanya memberikan suatu implikasi (misalnya terhadap sifat material) yang akan menyebabkan perubahan densitas material (terutama dengan adanya pori-pori ataupun fasa kedua pada material). Dengan adanya pori-pori maka : material
= m V
theoritisnya
dimana dengan adanya pori-pori massa akan
Dengan adanya fasa kedua maka : material
Dimana
1
1
V1 +
2
V2
= densitas fasa utama (1)
V1 = fraksi volume fasa utama 2
= densitas fasa kedua
V2 = fraksi volume fasa kedua Secara illustratif akan ditinjau efek dari kehadiran cacat volume tersebut (seperti retak) terhadap kekuatan material, dimana ingin dilihat perban-dingan (kekuatan tarik retakan) dengan th th (kekuatan tarik teoritis) suatu material yang sama.
Identifikasi Struktur Kristal dengan DIFRAKSI SINAR X
Adanya struktur kristal dapat dibuktikan dengan percobaan Difraksi sinar X ( X R D ).
Sinar X berasal dari transisi kulit K ke L
DE
=
E2
– E1
=
h
c
l1
h = konstanta planck
c = kecepatan rambat cahaya
l1 =
panjang gelombang
Saat elektron transisi dari kulit K ke kulit L, elektron menyerap energi dan bilamana elektron ersebut pindah kembali ke kulit K (agar stabil) maka akan memancarkan X-Ray. Gelombang elektromagnetik berfrek-wensi tinggi mempunyai panjang gelombang gelombang ( l ) yang besar sedikit sedikit dari jarak antar bidang dalam kristal. Berkas gelombang elektromagnetik yang mengenai kristal mengalami fraksi sesuai hukum-hukum fisika. Maka sudut difraksi difraksi yang terjadi digunakan untuk menentukan struktur kristal dengan ketelitian tinggi. Selain itu, dapat juga menentukan jarak antar bidang dan jari-jari atom suatu logam. Jarak antar Bidang
Bidang-bidang yang sejajar memiliki notasi (h k l) yang sama. Sehingga bila kita ukur jarak tegak lurus (^) dari titik asal ke bidang terdekat , maka akan kita eroleh jarak antar bidang (d).
HUKUM BRAGG
Bila seberkas sinar X mengenai suatu bahan kristalin maka berkas ini akan didifraksi oleh bidang atom / ion dalam kristal tersebut. Maka besar sudut difraksi q tergantung pada panjang gelombang l berkas sinar X dan jarak d (jarak antar bidang).
ANALISA DIFRAKSI SINAR X
Analisa bahan dalam bentuk serbuk halus merupakan cara penelitian dengan sinar X yang paling banyak diterapkan.
Sampel + perekat polimer ® dibentuk jadi benang-benang halus yang kemudian ditempatkan pada titik pusat karema Slindris.
Berkas sinar X yang sejajar diarahkan pada serbuk tersebut (benang); Sehingga : Karena terdapat partikal serbuk dalam jumlah cukup banyak dengan orientasi berbeda. Maka berkas yang didifraksi akan membentuk sudut 2 q dengan arah berkas semula. Kerucut difraksi mengenai pita film di 2 tempat masing-masing membentuk sudut 2 q dengan garis berkas masuk dan keluar. Akan diperoleh kerucut terpisah (sepasang garis difraksi) untuk setiap nilai Dh k l tertentu. Jadi letak garis difraksi dapat ditentukan berdasarkan percobaan di atas, sehingga jarak d dapat dihitung. Difraksi sinar X adalah sarana yang serbaguna dalam penentuan struktur intern bahan.
Cara menentukan indeks Miller: 1.
Tentukan perpotongan sumbu abc
bidang
kristal
dengan menetukan
2.
Tentukan bilangan resiprok (bilangan yang berbanding terbalik dengan nilai titik potong bidang dengan sumbu a,b,c. Titik potong: potong: ¼, 2/3, ½ Bilangan resiprok : 4 , 3/2, 2
3.
Buatlah bilangan resiprok tersebut menjadi bilangan bulat terkecil Bilangan resiprok : 4, 3/2, 2 Bilangan bulat terkecil : 8, 3, 4 Maka Indeks Miller (hkl)= (834)
Sistem Indeks (Indeks Miller)
Digunakan unuk menyatakan bidang kristal (indeks bidang) Aturan : 1. Tentukan titik potong antara bidang yang bersangkutan dengan sumbusumbu -sumbu
(a1,a2,a3) / sumbusumbu-sumbu primitf atau konvensional dalam satuan konstanta lattice (a (a1,a2,a3) . 2. Tentukan kebalikan (reciprok) dari bilanganbilangan - bilangan tadi, tadi, dan kemudian tentukan tiga tiga bilangan bulat bulat (terkecil) yang mempunyai perbandingan yang sama. Indeks (h k l).
Contoh : Bidang ABC memotong sumbusumbu -sumbu : a1di 2a 2a1
a2di 2a 2a2
a3di 2a 2a3
1
11
Kebalikannya adalah 2 23
,
,
Jika ketiga bilanagn bulat yang mempunyai perbandingan yang sama seperti di atas adalah 3, 3, 2. dengan demikian indeks bidang ABC tersebut adalah adalah (3 3 2). Perhatikan bahwa dalam penulisan indeks kita tidak menggunakan tanda koma. Misal: (3 3 2)
(h
k l)
Jika salah satu dari h k l negatif, maka indeks bidang tersebut ditulis (h k l), artinya h bertanda negatif. Untuk Sel kubus, jarak antar bidang hkl dapat ditulis sebagai berikut :
a d hkl h2 k 2 l 2 hkl ContohContoh-contoh Indeks Miller untuk sel kubus primitif maupun konvensional : Kubus Sederhana Sederhana : sel konvensional konvensional = sel primitif primitif Bidang ABFE
Perpotongan bidang ABFE dengan sumbu: axˆ X di 1axˆ Y di ~ ayˆ ayˆ Z di ~ az ˆ 111 Kebalikannya : , 1~~ Jadi, indeks bidang ABFE ABFE adalah (1 0 0)
,
Bidang BCGF
Perpotongan bidang BCGF dengan sumbu: X di ~ axˆ axˆ Y di 1ay 1ayˆˆ Z di ~ az ˆ 111 Kebalikannya : ~1~ Jadi, indeks bidang BCGF adalah (0 1 0)
,,
Bidang EFGH
Perpotongan bidang EFGH dengan sumbu: axˆ Y di ~ ayˆ X di ~ axˆ ayˆ
Z di 1az ˆ 111 Kebalikannya : , , ~~1 Jadi, indeks bidang EFGH adalah (0 0 1) Bidang ACGE
Perpotongan bidang ACGE dengan sumbu: X di 1axˆ 1ayˆˆ axˆ Y di 1ay Z di ~ az ˆ 111 Kebalikannya : 11~
,,
Jadi, indeks bidang ACGE adalah (1 1 0)
Bidang DCGH
Bidang DCGH sejajar dengan bidang sumbu Y dan Z,
ABFE, dan menempel di
artinya bidang tersebut tidak hanya satu tetapi
lebih dari satu, maka indeks bidang DCGH adalah : {1 0 0} Tanda {1 0 0} menyatakan kumpulan bidangbidang yang sejajar dengan bidang (1 0 0).
Sama halnya dengan Bidang ADHE yang sejajar dengan bidang BCGF, maka indeks bidang ADHE adalah {1 0 0} begitu juga dengan bidang ABCD sejajar dengan bidang EFGH, maka bidang ABCD adalah {0 0 1}, dan seterusnya. Jadi, apabila bidangnya menempel di sumbu, indeksnya akan sama dengan indeks bidang yang sejajar dengannya. Kubus Pusat Muka (FCC) (FCC) : sel konvensional konvensional
sel primitif Bidang primitif Bidang ABEF
idang ABEF dengan sumbu
ˆ ˆ ˆ
1 ebalikan nya : , , 2 ˆ
ˆ ˆ
Jadi, indeks bidang ABEF pada sel konvensional adalah (1 0 0)K Bidang ACGF Dengan menggunakan sumbu konvensional pada kubus FCC, bidang ACGF mempunyai mempunyai indeks (1 1 0)K Sedangkan pada sumbu primitif bidang ACGF berpotongan dengan dengan a1 di 1a 1aˆ1 1 1 1 a2 di 2a 2aˆ2Kebalikannya : , , 122 a3 di 2a 2aˆ3 Maka, indeks bidang ACGF ACGF pada sel primitif adalah (2 1 1) P
Bidang ACH Dengan menggunakan sumbu konvensional pada kubus FCC, bidang ACH mempunyai indeks (1 1 1)K Sedangkan pada sumbu primitif bidang ACH
berpotongan dengan dengan a1 di 1a 1aˆ1 1 1 1 a2 di
1aˆ2 Kebalikannya : , ,
111
a3 di 1aˆ3 Maka, indeks bidang ACH pada sel primitif adalah (1 1 1)P Jadi, indeks bidangnya sama baik pada sel konvensional maupun pada sel primitif. Bidang ABGH Dengan menggunakan sumbu konvensional pada kubus FCC, bidang ABGH mempunyai mempunyai indeks (1 0 1)K Sedangkan pada sumbu primitif bidang ABGH berpotongan dengan dengan a1 di 2a 2aˆ 1 2aˆ2Kebalikannya : , , 1 1 1 a2 di 2a
221
a3 di 1a 1aˆ3 Maka, indeks bidang ABGH pada sel primitif adalah (1 1 2)P
Bidang BCEH Dengan menggunakan sumbu konvensional pada kubus FCC, bidang ABGH mempunyai indeks (1 0 1) K .Sedangkan pada sumbu primitif bidang ABGH berpotongan dengan a1 di 2a 2aˆ 1 1 1 1 a2 di 2a 2aˆ2Kebalikannya : , , 221 a3 di 1a 1aˆ3 Maka, indeks bidang ABGH pada sel primitif
lainnya,
Kubus
adalah (1 1 2)P. Begitu juga dengan bidangbidang - bidang bidang yang pada kubus FCC.
Pusat Badan (BCC) : sel konvensional konvensional
sel primitif
Dengan menggunakan sumbu primitif pada kubus BCC, bidang yang mempunyai indeks (1 0)P seperti
gambar di gambar di
berpotongan
1
samping, pada
sumbu
konvensional dengan X ˆ 11 1 1 y Kebalikannya : , , Z
di 1 xˆ xˆ Y di
ˆ1 1 1 di 1 z ˆ1
Maka, indeks bidang ABGH pada ABGH pada
sel konvensional adalah (1 1 1)K
Dengan menggunakan sumbu konvensional pada kubus BCC, bidang yang mempunyai mempunyai indeks (1 seperti
0
gambar di gambar di
berpotongan
0)K samping,
pada
sumbu
primitif dengan a1 di 1a 1aˆ1
1 1 1 a2
1aˆ2Kebalikannya : , , 1 11 a3 di 1a 1aˆ3 Maka, indeks bidang ABGH pada ABGH pada
konvensional konvensional adalah (1 ( 1 1 1)P
sel
di
DAFTAR PUSTAKA van vlack, Lawrence. Ilmu dan Teknologi bahan. Diterjemahkan oleh Sriati Djaprie. Great Britain, Birmingham Mondadori, Arlondo. 1977. Simons & Schuster’s Guide to Rocks and
Minerals. Milan : Simons & Schuster’s Inc.
Pellant, Chris. 1992. Rocks and Minerals. London: Dorling Kindersley
Wijayanto, Andika. 2009. Kristalografi. Smallman Ana R.J Bishop. Metalurgi Fisik Modern dan Rekayasa Material; edisi keenam. Diterjemahkan Ir. Sriati Djaprie, M.Met Comslabs. Digilibs/repository/ITB/direktori.php
