April 2015
Sintesis Nanopartikel Magnetite (Fe 3 O 4 ) dengan Template silika (SiO 2 ) dan Karakterisasi Sifat Kemagnetannya.
Suryani Taib 1 , dan Edi Suharyadi 1,*
1 Laboratorium Fisika Material dan Instrumentasi, Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Gadjah Mada, Sleman,Yogyakarta, Indonesia
1 * esuharyadi@ugm.ac.id
1 email: surytaib@gmail.com
Received 30-05-2014, Revised 28-11-2014, A ccepted 3 -12-2014, Published 30-04-2015

## ABSTRACT
Nanoparticles  of  magnetite  (Fe 3 O 4 )  have  been  successfully  synthesized  by  coprecipitation method  by  mixing  FeSO 4 .7H 2 O  and  FeCl 3. 6H 2 O  with  the  addition  of  10%  NH 4 OH  as kopresipitan. Then, functionalized Fe 3 O 4 concentration variation silica (SiO 2 ) 5%, 10%, 15%, 20%, 30% and 50%. Particle size and magnetic properties of Fe3O4 nanoparticles were tested by X-Ray Diffraction (XRD) and Vibrating Sample Magnetometer (VSM). XRD results showed the addition of silica is not found new phases when added SiO 2 that serves as a template. The particle size of Fe 3 O 4 nanoparticles obtained 14.23 nm, while the Fe 3 O 4 nanoparticles with the addition  of  a  concentration  of  5%  and  20%  respectively  SiO 2 15.45  nm  and  16.37  nm.  VSM results  show  the  value  of  saturation  magnetization  and  remanent  magnetization  decreased  as more silica concentration, and increased coercivity field. Test Results of Fourier Transform Infra Red  (FTIR)  obtained  new  peaks  which  indicate  that  the  functionalization  process  Fe 3 O 4 with silica has been successfully carried out.
Keywords: nanoparticles, Fe 3 O 4 , co-presipitation ,SiO 2 , template

## ABSTRAK
Nanopartikel  magnetite  (Fe 3 O 4 ) telah  berhasil  disintesis  melalui  metode  kopresipitasi  yaitu dengan mencampurkan FeSO 4 .7H 2 O dan FeCl 3 6H 2 O dengan penambahan NH 4 OH 10% sebagai kopresipitan.  Kemudian,  Fe 3 O 4 difungsionalisasi  variasi  konsentrasi    silika  (SiO 2 )    5%,  10%, 15%, 20%, 30% dan 50%.  Ukuran partikel dan sifat kemagnetan nanopartikel Fe 3 O 4 diuji dengan X-Ray  Diffraction  (XRD)  dan  Vibrating  Sample  Magnetometer  (VSM).  Hasil  XRD menunjukkan  dengan  penambahan  silika  tidak  ditemukan    fasa-fasa  baru  ketika  ditambahkan SiO 2 sehingga berfungsi sebagai template. Ukuran partikel nanopartikel Fe 3 O 4 diperoleh 10,23 nm, sedangkan nanopartikel Fe 3 O 4 dengan penambahan konsentrasi 5 % dan 20 % SiO 2 masing- masing  11,45  nm  dan  12,37  nm.  Hasil  VSM  menunjukkan  nilai  magnetisasi  saturasi  dan magnetisasi  remanen  menurun  seiring  dengan  semakin  banyak  konsentrasi  silika,  dan  medan koersivitas meningkat. Uji Hasil dari Fourier Transform Infra Red (FTIR) didapatkan puncak- puncak baru yang menunjukkan bahwa proses fungsionalisasi Fe 3 O 4 dengan silika telah berhasil dilakukan .
Kata kunci: nanopartikel, Fe 3 O 4 , metode kopresipitasi, SiO 2 , template.

## PENDAHULUAN
Nano partikel magnetik telah menjadi material menarik  yang dikembangkan karena sifatnya yang  terkenal  dan  sangat  potensial  dalam  aplikasinya  dalam  berbagai  bidang.  Nanopartikel
berbasis  Fe 3 O 4 telah  secara  luas  digunakan  dalam  imobilisasi  dan  pemisahan  protein  atau enzim.
Selain itu juga digunakan untuk menghilangkan katalis, dan unsur-unsur beracun dari limbah industri  sedangkan  nanomagnetik  film  secara  luas  digunakan  dalam  perangkat  listrik  dan elektronik,  sensor,  penyimpanan  digital  yang  memiliki  kerapatan  tinggi,  dan  melindungi elektromagnetik. Selain itu magnetit  film  juga telah banyak dipelajari  dan diterapkan dalam tumor hyperthermia sebagai perantara yang memandu medan magnet untuk melokalisasikan terapi radioaktif dan obat-obatan 1-2 .
Metode  dalam  sintesis  nanopartikel  magnetik  banyak  sekali,  diantaranya  hidrolisis, mikroemulsi  dan  kopresipitasi.  Metode  ini  merupakan  salah  satu  metode  sintesis  senyawa anorganik yang didasarkan pada pengendapan lebih dari satu substansi secara bersama-sama ketika melewati titik jenuhnya. Kelebihan lain dari metode kopresipitasi yaitu menggunakan suhu kamar dan mudah  mengontrol  ukuran partikel  sehingga  waktu  yang dibutuhkan relatif lebih singkat 3 .
Pentingnya proses fungsionalisasi nanopartikel dengan penambahan bahan kimia lain seperti SiO 2 adalah untuk mengontrol ukuran dan struktur pori Fe 3 O 4 . Setelah sintesis Fe 3 O 4 kemudian difungsionalisasi dengan SiO 2 yang didasarkan pada sifat biokompatibel, non-toksik, bersifat inner,  amorf  dan  area  permukaan  yang  luas  Fungsionalisasi    adalah  sebuah  proses memodifikasi  partikel  melalui  permukaannya sehingga dapat  ditinjau ulang ukuran partikel, sifat kemagnetannya, dan stuktur kristal 4-7 .
Pada  penelitian  ini  dilakukan  sintesis  dan  karakteisasi  nanopartikel  Fe 3 O 4 template  SiO 2 , kemudian dikarakterisasi dengan X-Ray , Diffraction (XRD), Vibrating Sample Magnetometer (VSM), dan Fourier Transform Infra Red (FTIR), yang bertujuan untuk mengetahui pengaruh sifat  kemagnetan  Magnetite  (Fe 3 O 4 )  penambahan  silika    sebagai template terhadap  ukuran butir,  struktur kristal dan gugus fungsi.

## METODE PENELITIAN
Sintesis Fe 3 O 4
Dalam  sintesis  nanopartikel  Fe 3 O 4 ini  menggunakan  metode  kopresipitasi.  Bahan  utama FeSO 4 .7H 2 O dan FeCl 3 .6H 2 O dengan perbandingan massa 4,170 g dan 8,109 g dimasukkan ke dalam 30 ml H 2 O (aquades). Selanjutnya, ke dalam larutan tersebut ditambahkan 60 ml larutan NH 4 OH 10 % secara perlahan dan diaduk diatas magnetik stirrer dengan kecepatan aduknya 450 rpm, selama 90 menit pada suhu 60 ο C. Larutan Fe 3 O 4 kemudian dicuci dengan aquades sampai  bau  dari  NH 4 OH  hilang.  Setelah  itu  dilakukan  proses  pengendapan  terhadap  Fe 3 O 4 . Pengendapan  dilakukan  dengan  menggunakan  bantuan  medan  magnet  eksternal  (magnet permanen) agar  proses pengendapan dapat dilakukan dengan lebih cepat dan efektif. Sampel Fe 3 O 4 yang telah dicuci selanjutnya dikeringkan di dalam furnace pada suhu 80 ο C sekitar 3 jam.
Pecampuran Fe 3 O 4 +Silika
Nanopartikel Fe 3 O 4 divariasikan dengan konsentrasi SiO 2 yang berbeda-beda. Prekusor yang dipakai untuk silika yaitu Sodium Silicate Solution (Na 2 SiO 3 ). Dimulai dengan mencampurkan Na 2 SiO 3 dengan H 2 O selama 10 menit di atas stirrer dengan temperature room (suhu ruangan) setelah  itu  Fe 3 O 4 dimasukkan  dalam  larutan  selama  5  jam,  kemudian  larutan  diendapkan dengan  bantuan  magnet  permanen  dan  dicuci  dengan  Aquades  sampai  tidak  bau.    Endapan yang  diasilkan  dikeringkan.  Sampel  yang  kering  kemudian  dianalisis  ukuran  butir,  struktur
kristal, dan sifat kemagnetannya menggunakan X-RayDiffraction (XRD), Fourier Transform Infra Red (FTIR), dan Vibrating Sample Magnetometer (VSM). Parameter variasi SiO 2 dapat dilihat pada tabel 1 sebagai berikut:
Tabel 1. Nanopartikel Fe 3 O 4 dengan variasi   konsentrasi SiO 2 (%)

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Penyebab semakin kristalin karena SiO 2 memiliki sifat fisis dari SiO 2 yang sukar larut dalam asam, inert, dan amorf,  SiO 2 juga berfungsi sebagai pelapis yang berguna untuk menghalangi partikel  agar tidak teragregasi  dan mudah terdispersi dalam media  cair, dan Silika memiliki gugus silanol bebas dan gugus siloksan yang diketahui mampu mengadsorpsi ion logam keras. Pada  proses  fungsionalisasi  ini  apabila  terdapat  gugus  silanol  dalam  jumlah  besar  pada permukaan  partikel  akan  menjadikan  partikel  mudah  diaktivasi  dengan  berbagai  gugus fungsional.  Berdasarkan  hasil  analisis  menggunakan  program Origin  9 bahwa  sampel  tidak ditemukan juga adanya fasa SiO 2 dalam sampel. Hal ini berarti SiO 2 tidak ikut bereaksi dan hanya bertindak sebagai template .
Gambar 1. Hasil perbandingan XRD (a) sampel Fe 3 O 4 (b) sampel Fe 3 O 4 + SiO 2 20%, (c) sampel Fe 3 O 4 + SiO 2 5%
Pada Tabel 2, ditunjukkan ukuran kristal (t) ,  jarak antar bidang (d) , dan tetapan kisi (a) dari sampel Fe 3 O 4 , dengan penambaan SiO 2 5 % (sampel U), dan 20% (sampel R). Dapat dilihat bahwa semakin besar variasi  penambahan Silika ke dalam Fe 3 O 4 maka ukuran kristal semakin besar. karena pertumbuhannya dibatasi atau dihalangi oleh banyaknya rantai SiO 2 .
Sampel Fe 3 O 4 : Larutan Na 2 SiO 3 U 0,800 g : 5%  Na 2 SiO 3 20 ml SS + 20 ml H 2 O T 0,800 g : 10%  Na 2 SiO 3 12 ml SS + 28 ml H 2 O S 0,800 g : 15%  Na 2 SiO 3 8 ml SS + 32 ml H 2 O R 0,800 g : 20%  Na 2 SiO 3 6 ml SS + 34 ml H 2 O
Q 0,800 g : 30%  Na 2 SiO 3 4 ml SS + 36 ml H 2 O
P 0,800 g : 50%  Na 2 SiO 3 2 ml SS + 38 ml H 2 O * = puncak αFe 3 O 4 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 440 440 511 511 400 311 400 311 * * 220 220 intensitas 2theta (a) (b) (c) 220 * 311 400 511 440
-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 -1.5 10 4 -1 10 4 -5000 0 5000 1 10 4 1.5 10 4 Sampel Fe 3 O 4 M a gn eti s as i (em u/ g ) Medan Magnet (Oe) -10 -5 0 5 10 -100 -50 0 50 100 50 Oe -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 -1.5 10 4 -1 10 4 -5000 0 5000 1 10 4 1.5 10 4 Sampel U M ag ne ti s a s i (em u /g ) Medan Magnet (Oe) Ms = 26.24 (emu/g) Mr = 3.84 (emu/g) Hc = 57 (Oe) -10 -5 0 5 10 -100 -50 0 50 100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 -1.5 10 4 -1 10 4 -5000 0 5000 1 10 4 1.5 10 4 Sampel T Ma gn eti s as i (em u/ g ) Medan Magnet (Oe) Ms = 24.7852 (emu/g) Mr = 3.513793 (emu/g) Hc = 59 (Oe) -10 -5 0 5 10 -100 -50 0 50 100
Tabel 2. Ukuran kristal sampel Fe 3 O 4 dengan variasi penambaan SiO 2 Sampel d (A) a (A) t (nm) Fe 3 O 4 2,51 8.2 10,34 U (5% SS) 2,52 8.3 11,37 R (20% SS) 2.52 8.3 12,45 (a) (b)                                                                            (c) 60 Oe
-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 -1.5 10 4 -1 10 4 -5000 0 5000 1 10 4 1.5 10 4 Sampel S M a g n e ti sasi ( e m u /g ) Medan Magnet (Oe) Ms = 21.26 (emu/gr) Mr = 3.56 (emu/gr) Hc = 65 (Oe) -10 -5 0 5 10 -100 -50 0 50 100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 -1.5 10 4 -1 10 4 -5000 0 5000 1 10 4 1.5 10 4 Sampel R M a g n e ti sa si (em u /g ) Medan Magnet (Oe) Ms = 19.76 emu/g Mr = 3.50 emu/g Hc =65 Oe -10 -5 0 5 10 -100 -50 0 50 100 (d) (e) -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 -1.5 10 4 -1 10 4 -5000 0 5000 1 10 4 1.5 10 4 Sampel Q Ma gn e ti sa si ( emu /g ) Medan Magnet (Oe) Ms = 19 emu/g Mr = 3.13 emu/g Hc = 65 Oe -10 -5 0 5 10 -100 -50 0 50 100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 -1.5 10 4 -1 10 4 -5000 0 5000 1 10 4 1.5 10 4 Sampel P Ma g n e ti s a s i ( e mu /g ) Medan Magnet (Oe) Ms = 17.86 emu/g Mr = 2.80 emu/g Hc = 65 Oe -10 -5 0 5 10 -100 -50 0 50 100
(f)
(g)
Gambar 3. Kurva hysteresis loop medan magnet vs magnetisasi (a) nanopartikel Fe 3 O 4 , (b) sampel U (Fe 3 O 4 + SiO 2 5%), (c) sampel T (Fe 3 O 4 + SiO 2 10%), (d) sampel S (Fe 3 O 4 + SiO 2 15%), (e) sampel R Fe 3 O 4 + SiO 2 20%), (f) sampel Q (Fe 3 O 4 + SiO 2 30%), (g) sampel P (Fe 3 O 4 + SiO 2 50%) dengan medan magnet luar 10 emu/g
Analisis sifat magnet dilakukan menggunakan alat VSM.  Informasi  yang didapatkan berupa besaran-besaran  sifat  magnetik  sebagai  akibat  perubahan  medan  magnet  luar  yang digambarkan dengan kurva histeresis.  Kurva histeresis dapat  menunjukkan hubungan antara magnetisasi (M) dengan medan magnet luar (H). Besaran-besaran penting dalam menentukan sifat magnetik berdasarkan kurva hysteresis adalah magnetik saturasi (M s ), medan koersivitas (H c )  dan  magnetisasi  remanen  (M r ).  Nilai  magnetisasi  saturasi  atau  dikenal  dengan magnetisasi jenuh menunjukkan kemampuan partikel nano untuk mempertahankan kesearahan domain-domain  magnetiknya  ketika  masih  dikenai  medan  magnet  luar.  Medan  koersivitas merupakan  besarnya  medan  yang  dibutuhkan  untuk  membuat  magnetisasinya  bernilai  nol. Semakin besar nilainya semakin kuat pula sifat kemagnetannya. Sedangkan magnetic remanen (M r ) menunjukkan kemampuan bahan ketika diberikan medan luar.
Sifat magnetik dari Fe 3 O 4 dapat ditunjukkan dari Gambar 2, dengan penambahan konsentrasi SiO 2 didapatkan nilai magnetisasi saturasi yang beragam ini disebabkan oleh beberapa faktor, yaitu  ukuran  butir  partikel,  derajat  kristalinitas  serta  kehadiran  fasa  pengotor  α-Fe 2 O 3 ( hematite). Semakin besar penambahan konsentrasi SiO 2 maka hysteris loopnya semakin tegak
dan semakin softmagnetik . Pada sampel P dengan penambahan konsentrasi silika yang paling banyak  memiliki  M s paling  kecil  yaitu  17,86310    dengan  Mr  2,801849,  dengan  H c 60, sedangkan pada sampel U yang paling sedikit penambahan silika mengalami penurunan nilai M s 26,2449,  (H c )  55,  dan  M r 3,841012.  Informasi  ini  memberikan  makna  bahwa  semakin besar konsentrasi SiO 2 maka semakin besar Ms, tetapi tidak terlalu signifikan perubahannya. Sifat magnetik semakin lemah, karena semakin besar konsentrasi SiO 2 yang bersifat sebagai template sehingga ukuran partikel semakin keciil
0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 10 20 30 40 50 60 Ms (e mu /g ) Konsentrasi Silika (%) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 10 20 30 40 50 60 M r ( O e ) Konsentrasi Silika (%) (a) (b) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 10 20 30 40 50 60 H c ( Oe) Konsentrasi Silika (%) (c)
Gambar 3. Grafik hubugan konsentrasi SiO 2 dengan (a) Magnetisasi Saturasi (M s ), Magnetisasi Remanen (M r ) , (c) Koersifitas (H c )
Pada  gambar 3 menunjukkan dengan  pengaruh penambahan konsentrasi  SiO 2 terhadap sifat kemagnetan  yaitu koersivitas  dari  Fe 3 O 4 akan berbanding  lurus dengan ukuran nanopartikel magnetik yang bertambah besar. Sedangkan M r , dan M s semakin kecil, sehingga ketika ukuran nanopartikel  semakin    besar  diprediksi  cenderung  memiliki  multi  domain  dan  energi  Barier (energi  anistropinya)  juga  semakin  besar.  Dalam  keadaan  seperti  itu  momen  magnet  pada nanopartikel  akan  lebih  sulit  termagnetisasi  oleh  medan  magnet  eksternal  dan  ketika dimagnetisasi  maka  koersivitasnya  akan  cenderung  lebih  besar  dibandingkan  pada  ukuran nanopartikel yang lebih kecil.
Gambar 4.  Perbedaan spektrum FTIR (a) Sampel Fe 3 O 4 , (b) SiO 2 , (c) Sampel P (Fe 3 O 4 + SiO 2 50%), (d) Sampel Q (Fe 3 O 4 + SiO 2 30%), Sampel R (Fe 3 O 4 + SiO 2 20%), (e) Sampel S (Fe 3 O 4 + SiO 2 15%), (f) Sampel T (Fe 3 O 4 + SiO 2 10%), (g) Sampel U (Fe 3 O 4 + SiO 2 5%).
Hasil  pengukuran  SiO 2 yang  ditunjukkan  dalam  spektrum  b,  terdapat  beberapa  puncak dominan yang disebabkan oleh adanya vibrasi ikatan Si-O-Si yaitu 794,67 cm -1 dan, Si-O-H pada  964,61  cm -1 yang  merupakan  jenis  ikatan  penyusun  pada  polimer  SiO 2 .  Puncak  pada bilangan  gelombang  794,67  cm -1 .  Persentase  silika  sudah  melapisi  material  magnetik ditunjukkan  pada  bilangan  570-670  cm -1 yaitu  untuk  gugus  fungsi  Si-O-Si  (bending) Kemudian puncak pada bilangan gelombang 894,97 cm -1 berasal dari vibrasi stretching ikatan C-H asimetris. Puncak pada bilangan gelombang 1635.64  cm -1 dan 1465.90 cm -1 merupakan puncak yang diakibatkan oleh adanya vibrasi ikatan H-C-H. Beberapa puncak serapan dengan bilangan gelombang 1342.46 cm−1, 1280.73 cm -1 , dan 1242.16 cm -1 diakibatkan oleh adanya vibrasi  ikatan  C-O 9 .  Selanjutnya,  puncak  serapan  pada  bilangan  gelombang  1103.28  cm -1 diakibatkan oleh adanya vibrasi stretching ikatan C-O-C dan vibrasi ikatan C-C muncul pada bilangan gelombang 2337,72 cm -1 , 956.69 cm -1 , dan 840.96 cm -1 .

## KESIMPULAN
Pembuatan  nanopartikel  Fe 3 O 4 menghasilkan  ukuran  partikel  sebesar  10,23  nm,  dengan penambahan SiO 2 20 % dan 5 % mengalami peningkatan sebesar 11,4 nm dan 12,5 nm. Selain itu  penambahan  variasi  silika  tidak  menimbulkan  fasa  baru  sehingga  berfungsi  sebagai template.  magnetisasi  saturasi    dan  magnetisasi  remanen  meningkat  dengan  semakin banyaknya konsentrasi  SiO 2 sedangkan medan koersivitas menurun.

## DAFTAR PUSTAKA
1. Saoud,  F.,  2010,  Superparamagnetic  nanoparticles  for  synthesis  and  purification  of polymers prepared via Controlled/ “Living” Radical Polymerization
2. He, Kai, Cheng-Yan Xu, Laing Zhen, en-ZhuShao. (2007). Hydrothermal Synthesis and Characterization  of  singlecrystalline  Fe3O4  Nanowires  with  High  Aspect  Ratio  and Uniformity. Materials Letters ,  volume  61.  (CLRP), Ph.D.  dissertation ,  University  of Stellenbosch, South Africa.
3. Aiguo, Yan. (2008 ). Solvothermal synthesisand characterization of size-controlledFe3O4 nanoparticles , Journal Alloys and Compound 458 : 487 – 491.
4. Callister, Jr, William D. (2007). Materials Science and Engineering An Introduction Seven Edition , John Wiley and Sons, Inc, United States of America.
5. Cornell R.M. and Schwertmann, 2003, The Iron Oxides , Wiley-VCH GmbH & Co.KGaA.
6. Riyanto,  A.,  2012,  Sintesis  nanopartikel  Fe3O4  (Magnetit)  dan  potensinya  sebagai material aktif pada permukaan sensing biosensor berbasis Surface Plasmon
7. Kittel, C. (1996). Introduction to Solid State Physics . John Willey & Sons, Inc : New York Resonance (SPR), Thesis , Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta.
8. Loh,  K.,  Lee,  Y.K.,  Musa,  A.,  Salmah,  A.A.,  dan  Zamri,  I.,  2008,  Use  of  Fe3O4  for Anhancement  of  Biosensor  Respon  to  the  Herbicide  2,4-Dichlorophenoxyacetic  Acid, Sensor , 8, 5775-5791.
9. Coey, J.M.D., 2009, Magnetism and Magnetic Materials , United States of America, Cambridge University Press