## PENDAHULUAN
Perkembangan nanoteknologi telah banyak diaplikasikan dalam berbagai bidang seperti kosmetik, pewarna ( dyes ), pelapisan ( coating ), penanganan limbah dan medis. Nanopartikel magnetik mulai dikembangkan aplikasinya dalam bidang medis, misalnya sebagai contrast agent untuk MRI ( Magnetic Resonance Imaging ), atau sebagai pembawa obat ( drug delivery ) [1]. Batasan ukuran butiran dan kekuatan magnet dari nanopartikel yang digunakan disesuaikan dengan perkembangan kebutuhan aplikasi ini, sehingga penelitian tentang nanopartikel masih terus berlangsung hingga sekarang.
Hasil penelitian sebelumnya [2] menunjukkan bahwa perbandingan molar Fe(II)/Fe(III) akan mempengaruhi hasil sintesis nanopartikel magnetik oksida besi. Fasa campuran  -Fe 2 O 3 / Fe 3 O 4 terbentuk dengan perbandingan yang berbeda-beda dan menyebabkan sifat magnetik bahan yang berbeda juga. Dari penelitian ini terlihat bahwa komposisi bahan awal mempengaruhi hasil sintesis.
Pada penelitian ini, dengan kondisi percobaan yang stoikiometri, presipitasi garam Fe(II)/Fe(III)
dilakukan dengan menggunakan beberapa jenis basa. Struktur dan sifat basa yang berbeda akan mempengaruhi pengikatan pada saat reaksi presipitasi yang selanjutnya akan berpengaruh pada hasil sintesis oksida besi. Jenis basa yang digunakan pada penelitian ini meliputi NaOH, NH 3 dan TMAOH ( Tetramethyl Ammonium Hydroxide ). NaOH adalah basa kuat yang terdisosiasi sempurna, sedangkan NH 3 adalah basa lemah yang akan lambat terdisosiasi. Basa lainnya yaitu TMAOH adalah suatu hidroksida senyawa amina kuaterner yang mudah terionisasi sempurna, tetapi mempunyai efek ruang yang berbeda dengan NaOH [3].
Dengan kondisi ini TMAOH banyak digunakan dalam pembuatan ferrofluid, selain karena kemampuannya berlaku sebagai basa dalam pembentukan presipitat juga dapat berperilaku sebagai surfaktan untuk mempertahankan kestabilan koloid. Presipitat oksida besi yang terbentuk selanjutnya dikarakterisasi fasa, ukuran kristalin dan sifat magnetiknya serta dianalisis kaitannya dengan sifat basa yang digunakan.
Akreditasi LIPI Nomor : 536/D/2007 Tanggal 26 Juni 2007
VARIASI BASA PADA PEMBENTUKAN NANO PARTIKEL MAGNETIK OKSIDA BESI

## Grace Tj. Sulungbudi, Mujamilah dan Ridwan
Pusat Teknologi Bahan Industri Nuklir (PTBIN)-BATAN Kawasan Puspiptek Serpong 15314, Tangerang

## ABSTRAK
VARIASI BASA PADA PEMBENTUKAN NANO PARTIKEL MAGNETIK OKSIDA BESI . Nanopartikel magnetik oksida besi dapat terbentuk dalam proses presipitasi campuran garam Fe(II)/Fe(III) oleh basa. Dalam penelitian ini variasi jenis basa yang digunakan adalah NaOH, NH 3 dan TMAOH ( Tetramethyl Ammonium Hydroxide ). Magnetisasi saturasi, M s , tertinggi diperoleh pada oksida besi hasil presipitasi dengan basa TMAOH yaitu 82,2 emu/g, dengan fraksi massa Fe 3 O 4 79,43 %, dan ukuran butir 12,52 nm. Ukuran butiran terkecil diperoleh pada oksida besi hasil presipitasi dengan basa NaOH yaitu 9,34 nm dengan magnetisasi saturasi, M s , 73,8 emu/g.
Kata kunci : Basa, Nanopartikel magnetik, Oksida besi, Presipitasi

## ABSTRACT
BASE VARIATION ON FORMATION OF IRON OXIDE MAGNETIC NANO PARTICLES . Iron oxide magnetic nanoparticles could be synthesis by precipitation process of Fe(II)/Fe(III) salt mixture by a base solution. Varied bases use in this investigation were NaOH, NH 3 , and TMAOH ( Tetramethyl Ammonium Hydroxide ). The highest saturation magnetitation, 82.2 emu/g, was obtained on precipitated iron oxide by TMAOH, with 79.43% of Fe 3 O 4 mass fraction, 12.52 nm in grain size. The smallest grain size is 9.34 nm for NaOH base, with 73.8 emu/g.
Key words : Base, Magnetic nanoparticle, Iron oxide, Precipitation

## TEORI
Presipitasi adalah suatu metode pembentukan partikel dengan mereaksikan dua atau lebih ion yang akan membentuk endapan. Misalnya ion Fe 2+ bereaksi dengan ion OH - akan membentuk endapan Fe(OH) 2 , seperti pada persamaan berikut
    s aq aq OH Fe OH Fe 2 ) ( 2 ) ( 2    
........................ (1)
       ) ( 2 2 2 s sp OH Fe OH Fe K    ........................................ (2)
Presipitasi terjadi bila hasil kali konsentrasi ion Fe 2+ dan ion OH - lebih besar dari K sp . Metode presipitasi digunakan dalam penelitian ini untuk pembentukan nanopartikel magnetik oksida besi. Ion-ion Fe(II)/Fe(III) direaksikan dengan basa sehingga terbentuk oksida besi seperti reaksi berikut.
...(3)
Basa yang digunakan dapat berupa basa kuat atau basa lemah.
Menurut konsep Arrhenius, basa adalah suatu zat yang dapat menaikkan konsentrasi ion hidroksida dalam air [4]. Basa NaOH adalah senyawa ionik yang bila dilarutkan dalam air akan terdisosiasi menjadi ion Na + dan OH - .
...................... (4)
NaOH terdisosiasi sempurna, oleh karena itu disebut basa kuat. NH 3 juga bersifat basa karena dalam reaksinya dengan air akan menghasilkan ion hidroksida.
......... (5)
Reaksi ini ditunjukkan sebagai reaksi kesetimbangan, yang berarti hanya sebagian NH 3 yang terdisosiasi, dan memberikan sifat basa lemah. Konstanta ionisasi, k B = 1,8 x 10 -5 , dari reaksi di atas dapat dihitung dari persamaan berikut :
........................................... (6)
Basa lainnya, TMAOH ( Tetramethyl Ammonium Hydroxide ), (CH 3 ) 4 N + OH - adalah senyawa ammonium kuaterner. Karena sifat dari empat metil yang terikat pada atom N, maka ion ammonium ini sangat ionik [3], sehingga merupakan basa kuat.

## METODE PERCOBAAN
Bahan kimia seperti FeCl 3 .6H 2 O, FeCl 2 .4H 2 O, NaOH, NH 3 dan TMAOH yang digunakan dalam penelitian ini adalah tingkatan pro analisis . Untuk mencegah reaksi-reaksi yang tidak diinginkan
seperti reaksi oksidasi atau penguapan, maka semua larutan kimia dalam penelitian ini adalah larutan fresh . Campuran garam klorida Fe(II) dan Fe(III) dengan perbandingan mol 1:2 dilarutkan dengan air demineral menjadi 100 mL.
Ke dalam 100 mL larutan basa (NaOH, NH 3 , TMAOH ) 1M ditambahkan 100 mL larutan campuran besi klorida sedikit demi sedikit sambil diaduk dengan magnetic stirrer dan dialiri gas nitrogen. Presipitat yang diperoleh didiamkan sambil terus dialiri gas nitrogen selama 30 menit. Setelah itu presipitat dicuci dengan aquadest sampai bebas ion klorida (dilakukan test AgNO 3 ), didekantasi lalu dikeringkan di oven pada 50  C [2].
Presipitat yang diperoleh kemudian dikarakterisasi dengan difraktometer sinar-X (XRD) dengan target Cu-K  untuk menganalisis fasa yang terbentuk dan ukuran kristalit. Pengambilan data dilakukan dengan selang tiap data 0,02  . Analisis data dilakukan dengan metode analisis Rietveld yang diimplementasikan dalam program RIETAN-2000 [5]. Analisis sifat magnet dilakukan menggunakan Vibrating
Sample Magnetometer ( VSM ) dengan kecepatan pengukuran 0,25 T/menit.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil analisis XRD terhadap oksida besi  -Fe 2 O 3 / Fe 3 O 4 hasil presipitasi dengan ketiga basa di atas (Gambar 1), menunjukkan bahwa puncak-puncak difraksi sesuai dengan JCPDS No.82-1533 untuk Fe 3 O 4 ataupun JCPDS No.39-1346 untuk  -Fe 2 O 3 [6].
Gambar 1 . Pola difraksi sinar-X oksida besi  -Fe 2 O 3 /Fe 3 O 4 hasil presipitasi dengan variasi basa.
600 500 400 300 200 100 0 In te n s it a s (a .u ) 70 60 50 40 30 20 Sudut 2 theta (º) NaOH NH 3 TMAOH
Gambar 2 . Pola difraksi sinar-X dari pengamatan (  ) dan analisis Rietveld (  ) untuk oksida besi  -Fe 2 O 3 /Fe 3 O 4 hasil presipitasi dengan TMAOH 500 400 300 200 100 0 In te n si ty 68 64 60 56 52 48 44 40 36 32 28 24 20 2  / 
Analisis dengan menggunakan persamaan Debye
Scherrer [7], menunjukkan ukuran butiran ( grain size ) adalah 9,34 nm, 11,08 nm dan 12,52 nm masing-masing untuk basa NaOH, NH 3 , dan TMAOH . Analisis lebih lanjut dengan program RIETAN-2000 [5] dengan asumsi dua fasa Fe 3 O 4 ( space group Fd3m ) dan  -Fe 2 O 3 ( space group P4 1 32 ), maka diperoleh pola analisis salah satu sampel seperti yang ditampilkan pada Gambar 2 dan dengan % fraksi massa Fe 3 O 4 seperti terlihat dalam Tabel 1.
Sifat magnet dari oksida besi  -Fe 2 O 3 /Fe 3 O 4 hasil presipitasi dengan berbagai basa tersebut diukur dengan VSM ( Vibrating Sample Magnetometer ) menghasilkan kurva histeresis seperti pada Gambar 3. Dari kurva pada Gambar 3, diperoleh nilai magnetisasi saturasi, M s seperti yang ditampilkan dalam Tabel 1 di atas.
Seperti yang telah diuraikan dalam bab teori, basa NaOH terdisosiasi sempurna dalam media air menjadi ion Na + dan OH - . Ion hidroksida yang dihasilkan tersebut langsung bereaksi dengan ion Fe(II)/Fe(III) yang ada membentuk Fe(II)/Fe(III) hidroksida yang setelah dehidrasi akan diperoleh  -Fe 2 O 3 /Fe 3 O 4 seperti pada persamaan (3). Oleh karena semua NaOH yang ada dalam larutan terdisosiasi maka reaksi presipitasi juga berlangsung dengan cepat, dan ukuran butiran yang terbentuk adalah yang paling kecil di antara ketiga basa lainnya, yaitu 9,34 nm. Namun karena presipitat tersebut terjadi dengan cepat maka pembentukannya tidak cukup sempurna menjadi Fe 3 O 4 , dan cenderung membentuk  -Fe 2 O 3 . Akibatnya magnetisasi saturasinya yang paling rendah, yaitu 73,8 emu/gram.
Basa NH 3 mempunyai struktur piramida tetrahedral, dengan tiga tangan atom N berikatan dengan
3 atom H dan sepasang elektron bebas, dan akan membentuk tetrahedral pada saat bereaksi dengan air membentuk ion NH 4 + . Namun demikian tidak seluruh basa NH 3 terurai dan sebagian tetap bertahan sebagai NH 3 . Ion Fe(II)/Fe(III) dalam larutan dapat bereaksi dengan spesi OH - membentuk presipitat hidroksida Fe(II)/Fe(III), juga dapat bereaksi dengan NH 3 . Hal ini disebabkan Fe sebagai unsur logam transisi yang mempunyai bilangan koordinasi 6, yang berarti dapat mengikat 6 ligand misalnya NH 3 dengan hibridisasi d 2 sp 3 . Konfigurasi elektronik atom Fe, Fe(II), dan Fe(III) adalah sebagai berikut:
Dari konfigurasi tersebut, sebagian Fe(II) maupun Fe(III) dapat membentuk [Fe(NH 3 ) 6 ] 2+ dan [Fe(NH 3 ) 6 ] 3+ dalam larutan, sehingga terjadi kompetisi antara pembentukan kompleks amina dan pembentukan hidroksida. Hal ini akan mengurangi oksidasi Fe(II) menjadi Fe(III), sehingga fraksi massa Fe 3 O 4 menjadi lebih tinggi dari pada NaOH, yaitu 66,68%.
Sedangkan TMAOH mempunyai struktur seperti ion ammonium, tetapi H diganti dengan gugus metil (- CH 3 ). Gugus -CH 3 ini pun masing-masing membentuk struktur tetrahedral.
Dengan struktur TMAOH yang cukup besar, maka mekanisme pembentukan presipitasi juga berbeda. Ion Fe(II)/Fe(III) berikatan dengan ion OH- dari TMAOH membentuk Fe(II)/Fe(III) hidroksida. Presipitat ini yang bermuatan negatif ini karena dikelilingi oleh ion OH-, kemudian mengikat ion (CH 3 ) 4 N + . Gugus metil pada ion ini mempunyai sifat non-polar, sehingga menstabilkan presipitat Fe(II)/Fe(III) hidroksida dalam larutan, dan menjadi sulit mengendap [8]. Interaksi antar molekul presipitat satu dengan lainnya menjadi terhalang, tetapi difusi OH- ke ion Fe(II)/Fe(III) menjadi lebih sempurna, dan dapat terjadi pertumbuhan butir. Akibatnya seperti terlihat pada Tabel 1, ukuran butiran untuk presipitasi dengan TMAOH menjadi yang paling besar yaitu 12,52 nm, namun fraksi massa Fe 3 O 4 yang terbentuk adalah yang tertinggi yaitu 79,43%.
Hubungan fraksi massa  -Fe 2 O 3 /Fe 3 O 4 dan M s dapat dilihat dalam grafik pada Gambar 5. Magnetisasi
Tabel 1 . Ukuran butiran dan fraksi massa Fe 3 O 4 dari oksida besi hasil presipitasi.
Jenis basa D (nm) Fraksi massa Fe 3 O 4
(%) M s (emu/gram) NaOH 9,34 58,48 73,8 NH 3 11,08 66,68 81,8 TMAOH 12,52 79,43 82,2 Fe [Ar] 3d 6 4s 2       _ _ _ _ _ _ _ _ 3d 4s 4p 4d Fe(II) [Ar] 3d 6            _ _ _ 3d 4s 4p 4d Fe(III) [Ar] 3d 5            _ _ _ 3d 4s 4p 4d
Gambar 4 . Struktur bangun NH 3 dan (CH 3 ) 4 N + [3]. Gambar 3 . Kurva histerisis oksida besi  -Fe 2 O 3 /Fe 3 O 4 hasil presipitasi oleh basa NaOH, NH 3 , dan TMAOH . -100 -50 0 50 100 M (e m u /g ra m ) -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 H (T) NaOH NH 3 TMAOH
Variasi Basa pada Pembentukan Nano Partikel Magnetik Oksida Besi (Grace Tj. Sulungbudi)
saturasi maksimum Fe 3 O 4 adalah 92 emu/gram sedangkan  -Fe 2 O 3 adalah 76 emu/gram [9]. Sehingga makin besar fraksi massa Fe 3 O 4 dalam oksida besi yang terbentuk, diharapkan semakin tinggi pula magnetisasi saturasi dari bahan tersebut.
Secara umum, ditinjau dari ukuran serta sifat magnet yang dimiliki nanopartikel, dapat dinyatakan bahwa basa NH 3 memberikan hasil sintesis yang lebih opimal dibanding 2 basa lainnya. Namun dari pengamatan selama proses sintesis, dan juga seperti yang diperoleh peneliti lain [8], pemakaian basa TMAOH selain memberikan karakteristik nanopartikel yang unggul juga memberikan prospek sebagai penstabil pada system ferrofluid yang terbentuk. Hal ini akan sangat mendukung bagi berbagai pemanfaatan system ferrofluid ini terutama sebagai contrast agent MRI maupun sebagai drug delivery system .

## KESIMPULAN
Dari hasil penelitian ini dapat disimpulkan bahwa jenis basa mempengaruhi mekanisme pembentukan presipitat sehingga fraksi massa fasa  -Fe 2 O 3 /Fe 3 O 4 yang terbentuk juga bervariasi. Basa TMAOH memberikan hasil presipitasi oksida besi  -Fe 2 O 3 /Fe 3 O 4 dengan ukuran butiran 12,52 nm dan magnetisasi saturasi tertinggi yaitu 82,2 emu/gram. TMAOH selain sebagai basa juga berkelakuan sebagai penstabil karena mempunyai gugus polar dan nonpolar.

## DAFTAR ACUAN
[1]. Q.A. PANKHURST, J. CONNOLY, S.K. JONES and J. DOBSON, J. Phys. D. Appl. Phys. , 36 (2003) R167-R181
[2]. GRACE TJ. SULUNGBUDI, MUJAMILAH dan RIDWAN, Jurnal Sains Materi Indonesia , 7 (1)
(2006) 31-34
[3]. http ://www.ilp i.com/msd s/ref/amine.html, 09 Agustus 2007
Gambar 5 . Kurva hubungan antara fraksi massa Fe 3 O 4 (%) dan magnetisasi saturasi (emu/gram) dari oksida besi  -Fe 2 O 3 /Fe 3 O 4 hasil presipitasi oleh basa NaOH, NH 3 , dan
TMAOH . 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 20 40 60 80 100 120 Fraksi massa Fe3O4 (%) M s (e m u/ gr am )
[4]. JAMES E. BRADY and GERARD E. HUMISTON, General Chemistry Principle and Structure , John Wiley & Sons,Inc., New York, (1980)
[5]. F. IZUMI and T. IKEDA, Mater. Sci. Forum , 321-324 (2000) 198-203
[6]. Joint Committee in Powder Diffraction Standards, by International Centre for Diffraction Data, Ver.1.30, (1997)
[7]. H. P. KLUG and L. E. ALEXANDER, X-ray Diffraction Procedures , John Wiley & Sons Inc, London, (1962)
[8]. http://www.addis.caltech.edu/courses/MS142/ Labs/lab4, 29 Juli 2007
[9]. B.D. CULLITY, Introduction to Magnetic Materials , Addison-Wesley Publ. Co., (1972)
190-201