Akreditasi LIPI Nomor : 536/D/2007
Tanggal 26 Juni 2007

## PREPARASI NANO PARTIKEL Fe
3 O 4 DARI PASIR BESI DAN PELAPISANNYA PADA LOGAM NON MAGNETIK
Malik A. Baqiya, M. Anwar, Dimos Kurniawan, Tommy Hariyanto dan Darminto Jurusan Fisika, FMIPA-ITS Kampus ITS Keputih Sukolilo, Surabaya 60111

## ABSTRAK
PREPARASI NANO PARTIKEL Fe 3 O 4 DARI PASIR BESI DAN PELAPISANNYA PADA LOGAM NON MAGNETIK . Telah berhasil disintesis partikel Fe 3 O 4 dengan metode ko-presipitasi dengan dan tanpa penggunakan poli-etilen-glikon (PEG)-400 sebagai template dalam pelarut HCl dan pengendap NH 4 OH. Hasil sintesis tanpa template menunjukkan ukuran kristal dari partikel Fe 3 O 4 < 10 nm yang berbentuk sferis , sedangkan penggunaan PEG-400 meningkatkan ukuran kristal hingga > 10 nm. Proses pelapisan partikel dilakukan dengan cara spin-coating pada permukaan aluminium setelah sebelumnya partikel dilarutkan di dalam surfaktan tetra-metil-amonium-hidroksida ( TMAH ). Dipelajari hasil pelapisan dengan menggunakan foto SEM dan AFM/MFM , yang mencakup aspek-aspek homogenitas penyebaran partikel dan morfologinya serta faktor korosi oleh surfaktan TMAH .
Kata kunci : Fe 3 O 4 , Nano Partikel, PEG-400, Spin-Coating

## ABSTRACT
PREPARATION OF Fe 3 O 4 NANO-PARTICLES AND THE APPLICATION FOR COATING OF NON MAGNETIC METALS . Fe 3 O 4 particles have been synthesized using co-precipitation method with and without poly-ethylene-glycol (PEG)-400 as template in HCl/NH 4 OH as dissolving/precipitating agents. The particles synthesized without template have the crystal size < 10 nm with spherical shape. Further, the use of PEG-400 increases the crystal size up to > 10 nm. After the particles were solved in tetra-methyl- ammoniumhydroxide (TMAH) surfactant, those were then spin-coated onto an aluminium substrate. The result of coating is characterized by SEM and AFM/MFM, covering studies on distribution aspects particles, the morphologies, and corrosion factor because of TMAH surfactant.
Key words : Fe 3 O 4 , Nano-particles, PEG-400, Spin Coating

## PENDAHULUAN
Dalam beberapa tahun terakhir ini, sintesis material magnetit telah menghasilkan fluida magnet atau ferofluida yang mempunyai sifat fisik seperti cairan dan sifat magnet seperti bahan padat. Ferofluida merupakan larutan suspensi koloid yang mengandung partikel magnetit berukuran sangat kecil (~10 nm) di dalam media pengangkutnya (biasanya air atau hidrokarbon). Surfaktan digunakan untuk melapisi partikel magnetit yang berguna untuk mencegah aglomerasi antar partikel magnetit karena adanya gaya Van der Waals . Nano partikel Fe 3 O 4 (magnetit) dihasilkan dengan cara mencampurkan larutan garam besi (II) dan besi (III) menjadi satu dengan larutan amonium hidroksida sehingga dihasilkan reaksi pengendapan. Metode semacam ini disebut metode kopresipitasi. Sintesis nano partikel Fe 3 O 4 dengan bahan dasar pasir besi yang dilarutkan dalam asam klorida untuk
mendapatkan larutan FeCl 3 dan FeCl 2 menghasilkan ukuran partikel magnetit berkisar antara 17,8 nm hingga 53,6 nm [1].
Salah satu metode yang digunakan untuk mendapatkan nano partikel dengan tingkat polidispersifitas yang tinggi adalah menggunakan template sebagai media pencetak nano partikel dengan ukuran yang seragam. Penggunaan template seperti polietilen glikol telah menghasilkan nano partikel dengan bentuk memanjang seperti jarum dengan tingkat polidispersifitas yang tinggi [2]. Telah berhasil mensintesis Fe 3 O 4 nanorods melalui penambahan Poli- Etilen-Glikol (PEG)-1000 sebagai template dengan diameter rod rata-rata ~80 nm dan panjangnya ~2 µm [3]. Salah satu aplikasi pemanfaatan ferofluida adalah menjadikan bahan nonmagnetik memiliki sifat magnet dengan cara melapisinya dengan ferofluida, sehingga dengan mudah didapatkan sifat magnetik pada setiap
Preparasi Nano Partikel Fe 3 O 4 dari Pasir Besi dan Pelapisannya Pada Logam Non Magnetik (Malik A Baqiya)
sembarang bahan. Pelapisan ferofluida pada bahan nonmagnetik seperti aluminium, polimer dan kaca dengan metode spin coating menghasilkan nilai magnetisasi berturut-turut sebesar 98 G/cm 2 , 83 G/cm 2 hingga 293 G/cm 2 dan 48 G/cm 2 hingga 115 G/cm 2 [4]. Dalam makalah ini, disampaikan hasil penelitian pelapisan ferofluida yang disintesis dengan template maupun tanpa template pada bahan logam nonmagnetik, yakni aluminium. Homogenitas penyebaran partikel dan morfologinya serta faktor korosi oleh surfaktan Tetrametil-Amonium-Hidroksida ( TMAH ) dipelajari dengan menggunakan SEM dan Atomic/Magnetic Force Microscope ( AFM/MFM ).

## METODE PERCOBAAN
Pasir besi alam dipakai sebagai bahan dasar pembuatan nano partikel Fe 3 O 4 ( magnetite ), di mana sebelumnya telah dilakukan ekstraksi dengan magnet permanen. Ferofluida berbasis Fe 3 O 4 tersebut diperoleh melalui metode kopresipitasi dengan cara melarutkan pasir besi hasil ekstraksi (diambil 20 g) dengan larutan HCl (sebanyak 38 mL). Kepada larutan yang diperoleh, ditambahkan PEG-400 dan selanjutnya ditambahkan 24 mL NH 4 OH sambil diaduk dengan pengaduk magnetik pada suhu sekitar 70 o C. Endapan yang diperoleh dicuci berulang-ulang dengan aquadest sampai lima kali. Endapan diambil 5 g dan ditambahkan surfaktan TMAH untuk dijadikan ferofluida. Ferofluida ini digunakan untuk melapisi logam aluminium dengan metode spin-coating (kecepatan putar 3000 rpm ). Permukaan logam diamplas dan dipoles terlebih dahulu supaya didapatkan permukaan yang rata dan halus. Sisa endapan yang terbentuk hasil sintesis dikeringkan dalam oven pada suhu 100 o C untuk diuji difraksi sinar-X ( XRD ) dan SEM . Hasil pelapisan pada logam diamati pula dengan SEM dan AFM/MFM .

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Analisis Hasil Sintesis
Pengujian XRD digunakan untuk mengetahui fasa-fasa apa saja yang ada pada sampel. Data XRD untuk sampel tanpa dan dengan PEG-400 ditunjukkan dalam Gambar 1 dan Gambar 2. Hasil XRD menunjukkan bahwa terdapat fasa Fe 3 O 4 dan tidak ditemukan fasa lain. Partikel magnetit Fe 3 O 4 tanpa PEG-400 yang disintesis melalui metode kopresipitasi diperoleh ukuran kristal sekitar 8,3 nm. Penggunaan PEG-400 dalam sintesis sampel menjadikan partikel Fe 3 O 4 memiliki ukuran kristal ratarata sekitar 11,5 nm. Semua puncak pola difraksi teridentifikasi sebagai fasa Fe 3 O 4 berstruktur kubik, dengan konstanta kisi a = 8,37 Å dan 8,36 Å berturut-turut untuk Fe 3 O 4 tanpa dan dengan PEG 400, yang mendekati dengan data ICSD No. 50271 (a = 8,39 Å). Penentuan ukuran tersebut dilakukan
dengan memakai persamaan Debye-Scherrer , dengan FWHM rerata ~ 0,83 o .
Ukuran kristal akan sama dengan ukuran partikel jika partikelnya merupakan partikel primer yang terdiri dari kristal tunggal. Namun, partikel Fe 3 O 4 umumnya berupa partikel sekunder yang terdiri dari sejumlah butir/kristal, sehingga ukuran partikel lebih besar dan mencapai  100 nm seperti ditunjukkan oleh Gambar 3. Secara sepintas nampak pada Gambar 3 bahwa distribusi ukuran partikel untuk sampel tanpa PEG-400 tidak merata, sehingga diperlukan cetakan untuk mempersempit distribusi ukuran partikel yang terbentuk.

## Pengaruh Penambahan PEG-400
PEG-400 merupakan material polimer berstruktur rantai pendek yang seragam dan sangat mudah terserap
Gambar 1 . Pola hasil XRD pada serbuk Fe 3 O 4 tanpa PEG-400
Gambar 2 . Pola XRD dari sampel Fe 3 O 4 dengan PEG-400
Gambar 3 . Strukturmikro dari magnetit (Fe 3 O 4 ) menggunakan SEM dengan perbesaran 10000 x
pada permukaan koloid logam oksida [2], dalam hal ini Fe 3 O 4 . PEG memegang peranan penting dalam mencegah agregasi nano partikel dan secara kinetik mengontrol laju pertumbuhan kristalografik ke arah bidang kristal tertentu [5]. Partikel magnetit yang ditempeli oleh PEG mengakibatkan menurunnya aktivitas partikel koloid sehingga pertumbuhannya terhambat pada sisi-sisi/bidang yang terlapisi PEG. Partikel cenderung tumbuh pada daerah yang tidak tertempeli PEG dan menghasilkan partikel berbentuk memanjang.
Pada Gambar 2 terlihat puncak-puncak difraksi hasil sintesis dengan PEG-400 cenderung lebih tajam daripada puncak-puncak yang terjadi pada Fe 3 O 4 tanpa PEG-400. Hal ini menggambarkan ukuran kristal yang lebih besar. Selain itu, penambahan PEG menghasilkan pertumbuhan partikel yang anisotropik dan menjadikan ukuran partikel lebih memanjang (membentuk nanorods ). Meskipun ukuran kristalnya lebih besar, partikel Fe 3 O 4 yang disintesis dengan PEG-400 menunjukkan keseragaman ukuran yang lebih baik [1].
Karakterisasi Hasil Pelapisan dengan Fe 3 O 4 Gambar SEM dengan pelapisan ferofluida tanpa PEG-400 pada logam aluminium ditampilkan dalam Gambar 4. Ferofluida yang dilapiskan melalui teknik spin-coating dapat menempel pada permukaan logam dikarenakan adanya gaya Van Der Waals antara partikel magnetit dengan substratnya.
Gambar 4 menunjukkan partikel magnetit yang menempel sebagian besar mengikuti bentuk dari batas-batas butir aluminium. Diperkirakan bahwa surfaktan TMAH menguap dan yang tersisa adalah partikel magnetit saja yang menempati pada permukaan aluminium. Arah panah A dan panah B yang diperlihatkan pada Gambar 4 terdapat lapisan berwarna putih bercampur hitam. Diduga bahwa lapisan terbebut berupa produk korosi, mengingat surfaktan TMAH bersifat korosif [6]. Surfaktan ini bereaksi dengan aluminium dan selanjutnya bercampur dengan partikel magnetit melapisi permukaan aluminium. Hal ini diperkuat oleh hasil pengamatan oleh AFM pada Gambar 5,
di mana struktur menyerupai butir ( grain ) tampak dengan ukuran 5  m hingga 10  m. Sifat kemagnetan dari ferofluida berbasis Fe 3 O 4 dan pelapisannya pada logam aluminium diukur dengan menggunakan Vibrating Sample Magnetometer ( VSM ). Hasil VSM untuk sampel ferofluida tanpa PEG 400 dan pelapisannya diperlihatkan pada Gambar 6 dan Gambar 7. Tampak pada Gambar 7, nilai remanen dan koersivitasnya lebih kecil dari Gambar 6. Hal ini dipengaruhi oleh banyak sedikitnya partikel magnetit yang menempel pada permukaan logam. Munculnya kurva histeresis pada logam nonmagnetik ini membuktikan bahwa pelapisan partikel Fe 3 O 4 dapat mengubah logam Al tersebut menjadi bersifat magnetik tanpa harus mengubah struktur dari logam yang dilapisi.
Gambar 4 menunjukkan ketidakhomogenan partikel magnetit yang melapisi permukaan aluminium.
Gambar 4. Strukturmikro permukaan aluminium 6063 dengan pelapisan ferofuida + TMAH menggunakan SEM dengan perbesaran 3500 kali
Gambar 5 . Struktur permukaan aluminium 6063 dengan pelapisan ferofuida menggunakan SEM
Gambar 7 . Kurva histeresis untuk pelapisan ferofluida pada Aluminium 6063
Gambar 6 . Kurva histeresis untuk ferofluida dengan Fe 3 O 4 tanpa PEG-400
Preparasi Nano Partikel Fe 3 O 4 dari Pasir Besi dan Pelapisannya Pada Logam Non Magnetik (Malik A Baqiya)
Hal ini dapat dilihat dari bercak-bercak hitam yang tidak merata. Ketidakhomogenan penyebaran ini dapat disebabkan oleh pengaruh kecepatan dan lamanya proses spin-coating dan kekentalan ferofluida. Penyebaran partikel magnetit ini juga dapat dilihat melalui hasil AFM dari permukaan aluminium dengan ferofluida tanpa PEG-400 pada Gambar 5. Terlihat bahwa partikel magnetit berkumpul membentuk bercak-bercak menempel pada permukaan.
Gambar 8 memperlihatkan struktur permukaan aluminium dengan menggunakan Magnetic Force Microscope ( MFM ). Hasil pengujian MFM memberikan ukuran partikel sebesar 15 nm hingga 50 nm. Hasil ini memberikan gambaran lebih rinci tentang bentuk dan ukuran partikel yang diperoleh melalui analisis foto SEM pada Gambar 3.

## KESIMPULAN
Hasil sintesis pasir besi melalui metode kopresipitasi menghasilkan partikel Fe 3 O 4 dengan ukuran kristal < 10 nm, dan ukuran partikel < 100 nm yang selanjutnya dapat difabrikasi menjadi ferofluida. Pelapisan ferofluida Fe 3 O 4 pada logam aluminium dengan metode spin coating memperlihatkan bahwa partikel menempel dengan sempurna pada permukaan logam. Pelapisan pada logam non magnetik ini dapat mengubah secara signifikan sifat kemagnetan bahan tanpa mengubah komposisi dan struktur internal bahan terlapisi.

## DAFTAR ACUAN
[1]. ANI S.A., Analisis Ukuran Dan Korelasi
Nanopartikel Fe 3 O 4 Dalam Fluida Magnetik Dengan
Teknik Hamburan Neutron Sudut Kecil, Tugas Akhir Jurusan Fisika FMIPA ITS , (2007)
[2]. D.E. ZHANG, X.J. ZHANG, X.M. NI, H.G. ZHENG and D.D. YANG, J. of Magnetism and Magnetic Materials , 292 (2005) 79-82
[3]. S. LIAN, Z. KANG, E. WANG, M. JIANG, C. HU and L. XU, Solid State Communications, 127
(2003) 605-608
Gambar 8 . Struktur permukaan aluminium 6063 dengan pelapisan ferofluida + TMAH menggunakan MFM .
[4]. HARIYANTO T, Pelapisan Bahan Non-Magnetik dengan Ferofluida, Tugas Akhir Jurusan Fisika FMIPA ITS , (2006)
[5]. JIN DU, YONGQIAN GAO, LANLAN CHAI, GUIFU ZOU, YUE LI and YITAI QIAN, Institute Of Physics Publishing, Nanotechnology , 17 (2006) 4923-4928
[6]. BERGER P., ADELMAN, N. B., BECKMAN, K. J., CAMPBELL, D. J., ELLIS, A. B. and LISENSKY, G. C., J. Of Chemical Education 1999 , 76 (1999) 943-948