Catatan Kuliah Fase Material Part 1 : Zat Padat

POC (Physics Online Course) adalah grup Telegram yang beranggotakan alumni Jurusan Fisika Universitas Negeri Makassar. Kegiatan di grup ini adalah berbagi ilmu dari pemateri tertentu dengan materi yang disepakati. Pemateri yang paling aktif adalah ayahanda Subaer Junaedi. Pada tanggal 5 januari 2017 beliau memberikan kuliah tentang fase material. Berikut adalah penggalan catatan saya tentang zat padat.

Padat dicirikan oleh kondisi atom atau molekulnya yang teratur menurut pola tertentu, berjangkauan panjang, memiliki ikatan kimia (primer dan sekunder) yang kokoh, seperti ikatan ionik, kovalen, ikatan logam bahkan ikatan van der walls untuk padatan yang lunak. Massa jenis padatan cukup tinggi untuk bertahan pada suhu dan tekanan normal dan karena itu padatan tidak mudah mengalir.  Padatan secara kasar kita bagi dua: kristalin dan amorf.

Kristal adalah padatan yang memiliki pola susunan atom yang teratur yang dinyatakan dalam 7 sistem kristal dan 14 kisi Bravais. 

Kisi kristal adalah lukisan geometrik yang menempatkan atom pada posisi, bidang dan ruang tertentu. Kristal umumnye memiliki kekerasan dan titik leleh yang tinggi. Intan adalah kristal dengan kekerasan 10 Mohs dan titik leleh mendekati 3000 oC. Itu sebabnya intan menjadi standar kekerasan dan suhu material fungsional lainnya. Batu bacan memiliki kekerasan sekitar 7 Mohs. yang terbuat dari Ruby berkisar 8 mhos dan meleleh pada suhu 2400oC.
kristal ada yang transparan terhadap cahaya tampak ada yang tidak dan hanya transparan pada sinar-x. Karena itu, sinar-x dengan teknik difraksi adalah metode paling ampuh untuk mempelajari struktur kristal. Lab Fisika Universitas Negeri Makassar memiliki mesin difraksi sinar-x sejak tahun 2012.

Kristal dapat dipoles hingga sangat tipis setipis 100 atom  atau kurang dari 100 nm dengan menggunakan teknik yang disebut ion beam (berkas ion). Jika menggunakan pisau intan dengan teknik microtome kita bisa mengiris hingga 10 mikrometer. Lab Biologi baru saja memperoleh automatic microtome seharga 200 juta lebih.

Material padatan juga dapat dengan mudah dibawa ke skala nanometer bahkan ke skala 2 dimensi. Tahun 1969 Richard feynmann memulai gagasan tentang nanomaterial dalam dunia fisika. Tahun 1990 fisikawan jepang berhasil membuat carbonnano tube utk pertama kalinya. Material yang serupa ternyata sudah diproduksi oleh pandai besi di Damaskus untuk menempa pedang yang digunakan oleh Salahuddin Al Ayyubi dengan menggunakan besi terbaik dari India. Pedang samurai Katana terbaik ternyata masih 100 kali lebih tumpul dari pedang Salahuddin Al Ayyubi . Sayangnya pandai besi yang menempa pedang itu tdk mewariskan ilmunya kepada siapapun. Kasus yang sama terjadi pada pandai besi di lereng bukit Soroako yang tidak mewariskan teknik menempa besi untuk badik atau keris sulsel kepada generasi selanjutnya  sebuah cabang metalurgi yang hilang ditelan zaman.

Untuk melapisi tanur pembakaran bahan bakar roket dan harganya puluhan kali lebih mahal dari emas. Di Sulsel, Molybdenum ditemukan dilereng bukit Bontocani Kab. Bone.  Rombongan kami menemukannya dengan tidak sengaja ketika melakukan ekplorasi di daerah tersbut pada tahun 2014.
Carbon dua dimensi dikenal dengan graphene disintesis pertama kali di tahun 2010 oleh seorang mahasiswa PhD asal Rusia Novoselov dibawa bimbingan Andrei Geim. Setahun kemudian keduanya menerima hadiah nobel. Novosolev memperoleh graphine dari coretan pensil 2B di atas kertas, yang kemudian dengan teknik separasi lapisan tipis berhasil mengisolasi carbon 2 dimensi pada kondisi tekanan sangat rendah. Nobel yang mereka terima sering disebut Nobel Pinsil 2B. 

Graphene ternyata lebih keras dari ibunya, intan. Konduktivitas termal dan listriknya puluhan kali lebih baik dari besi. 

Kini graphene menjadi material impian untuk superkomputer dan aplikasi elektronik lainnya jika dapat dibuat dalam lembaran yang besar dan stabil. Graphene transparan pada cahaya tampak. Lab Fisika UNM sudah mencoba produksi grahene. Tetapi runtuh pada fase graphene oxide. Fase terakhir sebelum mencapai graphene. Ilmu dan keterampilannya masih perlu dipacu. Graphene hingga hari ini menempati posisi peringkat 1 sebagai material paling diburu di dunia.

Kita beralih ke amorf. Padatan yang bukan kristal secara umum disebut amorf. 

Amorf adalah material eksotik sederhana ketika pola keteraturan atom atau molekul runtuh dari padatan atau cair atau gas lalu berhenti dan kembali menjadi padat.

Fase transisinya disebut vitrous. Gelas dan bahan2 yang terbuat dari silikat umumnya berada pada fase amorf, pola atom tidak beraturan, panjang ikatan kimia tidak seragam dan konduktivitas listrik atau termalnya rendah. Seperti halnya kristal, bahan amorf dapat pula dibuat sangat tipis dan bila dibuat dari bahan dasar gas kita dapat menggunakan teknik deposisi, antara lain Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (PECVD) atau sputtering.