## EFEK SONIKASI TERHADAP PROSES
PEMBENTUKAN NANOPARTIKEL FE 3 O 4 YANG DIMODIFIKASI DENGAN PEG-6000

## Silviana Simbolon
Teknik Mesin, Fakultas Teknik,, Universitas Pamulang Jl. Surya Kencana No. 1 Pamulang, Tangerang Selatan, Banten, Indonesia
E-mail:dosen01923@unpam.ac.id
Masuk : 2 Maret 2018 Direvisi : 25 Maret 2018
Disetujui :4 April 2018
Abstrak: Pada penelitian ini, serbuk nanopartikel magnetit (Fe 3 O 4 ) dengan  penambahan PEG-6000 telah berhasil dipreparasi dengan struktur kubik.  Serbuk disintesis pada suhu 70°C dengan metode kopresipitasi dan dilanjutkan proses sonikasi. Serbuk nanopartikel Fe 3 O 4 memiliki dua fasa yaitu Fe 3 O 4 sebagai fasa dominan dan γ-Fe 2 O 3 sebagai fasa minor. Pada sampel Fe 3 O 4 terjadi aglomerasi atau penggumpalan partikel dengan ukuran partikel sebesar 20-80 nm. Sementara itu, sampel Fe 3 O 4 dengan penambahan PEG-6000 memiliki ukuran sebesar  ±25 nm. Dengan adanya penambahan PEG-6000 pada sampel Fe 3 O 4 ,  garis boundary antar partikel Fe 3 O 4 semakin jelas. Sedangkan pada sampel Fe 3 O 4 dengan penambahan PEG-6000 yang telah disonikasi selama 15 menit memiliki ukuran partikel sebesar ±45 nm. Efek dari sonikasi ini secara signifikan mampu mengurangi terjadinya proses aglomerasi.  Pada uji sifat magnetik,  sampel Fe 3 O 4 dengan penambahan PEG-6000 mengalami kenaikan nilai koersivitas dikarenakan adanya PEG-6000 yang memperkecil pengaruh medan magnet eksternal. Pada sampel Fe 3 O 4 yang telah diberi PEG-6000 dan melalui proses sonikasi, terjadi kenaikan nilai remanensi dan saturasi, namun nilai koersivitasnya menurun dibandingkan sampel nanopartikel Fe 3 O 4 dengan/tanpa PEG-6000 yang tidak disonikasi. Kondisi optimum didapatkan pada sampel pada sampel Fe 3 O 4 yang telah diberi PEG-6000 dan melalui proses sonikasi yang memiliki nilai koersivitas sebesar 93,36 Oe, magnetik saturasi 3,82 emu/g, dan remanensi 61,96 emu/g.
Kata kunci: Efek sonikasi, nanopartikel, Fe 3 O 4 , PEG-6000
Abstract: In this study, the powder of magnetite nanoparticles (Fe 3 O 4 ) with the addition of PEG-6000 has been successfully prepared by cubic structure. The powder was synthesized at 70° C by coprecipitation method and continued by sonication process. The powder of Fe 3 O 4 nanoparticles has two phases Fe 3 O 4 as the dominant phase and γ-Fe 2 O 3 as the minor phase. In the Fe 3 O 4 sample there was agglomeration of particles with particle size of 20-80 nm. Meanwhile, the Fe 3 O 4 sample with the addition of PEG-6000 has size of ± 25 nm. The addition of PEG-6000 to the Fe 3 O 4 sample, the grain boundary between the Fe 3 O 4 particles is clearer. While the Fe 3 O 4 sample with the addition of PEG-6000 which has been sonication  for 15 minutes has a particle size of ± 45 nm. The effects of this sonication significantly reduced the agglomeration process. In the magnetic properties test, the Fe 3 O 4 sample with the addition of PEG-6000 increased coercivity value due to PEG-6000 which minimized the influence of external magnetic field. In Fe 3 O 4 samples which have been given PEG-6000 and through sonication process, there is an increase in remanence and saturation value, but the coercive value decreases compared to samples of Fe 3 O 4 nanoparticles with / without uncoupied PEG-6000. The optimum condition was obtained in the sample. In Fe 3 O 4 samples which have been given PEG-6000 and through sonication process having coerced value of 93.36 Oe, magnetic saturation 3.82 emu / g, and remanence 61.96 emu / g.
Keywords: sonication effect, nanoparticle, Fe 3 O 4 , PEG-6000

## PENDAHULUAN
Salah satu perkembangan yang sangat pesat dibidang material magnetik adalah penelitian mengenai nanopartikel magnetik.  Nanopartikel magnetik  merupakan jenis nanopartikel yang  banyak  dimanfaatkan diberbagai bidang  aplikasi seperti  penyerap (absorben), material penyimpan data,   targeting obat, Magnetic

## Jurnal Teknik Mesin: CAKRAM (2018) Silviana Simbolon,
Efek Sonikasi terhadap Proses Pembentukan…,
Resonance  Imaging (MRI),  terapi  kanker, dan lain-lain  [1-5]. Selain itu, dalam beberapa tahun terakhirnanopartikel magnetik juga dikembangkan  untuk aplikasi sistem pendingin nanofluid.Penggunaan nanopartikel magnetik dalam sistem  pendingin  nanofluid atau yang lebih dikenal nanofluid magnetik, mampu meningkatkan koefisien transfer panas serta mengoptimalkan kinerja sistem pendingin karena nanofluid tersebut dapat dikontrol dengan medan magnet eksternal [6-10].
Untuk menghasilkan  magnetik  dalam ukuran  nano, berbagai metode telah dikembangkan yang bertujuan untuk memperoleh sifat  superparamagnetik yang  unik dari nanopartikel magnetik.Salah satu metode yang digunakan untuk menghasilkan nanopartikel adalah dengan metode kopresipitasi atau sisntesis kimia [6-9]. Ada berbagai parameter yang mempengaruhi proses pembentukan nanopartikel magentik dengan metode kopresipitasi  ini  salah satunya yaitu dengan penambahan  polimer yang  digunakan  untuk membentuk dan mengontrol ukuran serta  struktur pori  nanopartikel. Polimer yang umumnya digunakan dalam pembentukan nanopertikel magnetik adalah polietilen glikol (PEG). Dengan adanya penambahan PEG, sifat reaktif atom Fe pada permukaan nanopartikel Fe 3 O 4 akan mengalami proses modifikasi oleh PEG. [11-12].
PEG merupakan salah satu jenis polimer yang dipakai untuk membentuk dan mengontrol ukuran partikel. PEG dapat berfungsi sebagai template, karena PEG dapat membungkus partikel besi sehingga dapat mencegah terjadinya proses agregasi lebih lanjut. Hal ini disebabkan karena PEG menempel pada permukaan partikel dan menutupi ion positif besi, sehingga diperoleh hasil partikel dengan bentuk dan ukuran yang lebih homogen Beberapa peneliti telah melakukan sintesis nanopartikel Fe 3 O 4 untuk menghasilkan ukuran yang optimal. Nursa dkk. (2016) melakukan sintesis nanopartikel Fe 3 O 4 dengan metode kopresipitasi menggunakan polimer PEG dengan jenis PEG-1000, PEG-2000, PEG-4000, dan PEG-6000.  Dari penelitian tersebut  menunjukkan bahwa  hasil nanopartikel Fe 3 O 4 yang optimum diperoleh pada saat sintesis menggunakan polimer PEG-6000 dengan ukuran kristal sebesar 18,29 ± 0,05 nm dan ukuran partikel sebesar 60,75 nm  [13]. Selanjutnya, Kurniawan dkk. (2017) melakukan sintesis nanopartikel Fe 3 O 4 dengan metode kopresipitasi menggunakan polimer PEG-6000. Hasil penelitian tersebut  menunjukkan bahwa nanopartikel Fe 3 O 4 yang diperoleh memiliki nilai koersivitas partikel (Hcj) sebesar 85,9 Oe dengan diameter kristal sekitar 14 – 32 nm [14].
Pada penelitiaan ini, metode yang digunakan dalam preparasi sampel Fe 3 O 4 adalah metode kopresipitasi dan dilanjutkan dengan proses sonikasi. Keunggulan dari metode ini adalah prosedur proses sintesis yang sederhana, serta  berbagai paramter dapat dikontrol dan divariasi  mulai dari rasio suhu, pH, agen pengendap, dan lain sebagainya  [15]. Dalam penelitian ini, untuk mengetahui ukuran dan sifat magnetik dari nanopartikel Fe3O4 akan diuji menggunakan uji true density, X-Ray Diffraction (XRD), Field Emission Scanning Electron Microscopy (FE-SEM), dan Vibrating Sample Magnetometer (VSM).

## METODOLOGI
Sintesis  serbuk Fe 3 O dengan metode  kopresipitasi  dilakukan  dengan  mencampurkan raw material dari bahan teknik sebanyak 12,7 gram FeCl 2 . 4H 2 O (ferroklorida tetrahidrat) dan 32,5 gram FeCl 3 . 6H 2 O (ferriklorida heksahidrat) serta menggunakan aquades sebanyak 50 ml sebagai pelarut. Larutan prekusor I kemudian diaduk menggunakan magnetic stirrer pada suhu 50 o C selama 1 jam.  Reaksi kimia yang digunakan pada sintesis ini sebagai berikut :
2FeCl 3 . 4H 2 O + FeCl 2 . 6H 2 O + 8NH 4 OH              Fe 3 O 4 + 8NH 4 Cl + 14H 2 O (4.1)
Kemudian,  dibuat  larutan precursor II  yang  terdiri  atas  aquades  50 ml dan  PEG 6000  sebanyak 3,25 gram. Larutan pekersor I dan II di drop kedalam larutan pengendap yang merupakan campuran 31 mL NH 4 OH (6,5 M) dengan 69 ml aquades  dan  diaduk  menggunakan magnetic stirrer pada  suhu 50 o C  selama 2 jam. Kemudian,larutan  hasil  kopresipitasi  dicuci  dengan  aquades  menggunakan  alat centrifuge selama 15 menit. Setelah diperoleh endapan, selanjutnya endapan Fe 3 O 4 dikeringkan dalam oven pada suhu 50 o C selama 24 jam sampai menjadi serbuk Fe 3 O 4 . Dari hasil serbuk Fe 3 O 4 , selanjutnya dilakukan proses sonikasi selama 30 menit pada campuran 75 mL aquades dan 2 gram serbuk Fe 3 O 4 . Hal ini bertujuan untuk kemungkinan aglomerasi pada serbuk Fe 3 O 4 sehingga lebih homogen.
Untuk mengtahui karakteristik dari sampel dilakukan pengujian antara lain yaitu uji true density , X-Ray Diffraction (XRD), Field Emission Scanning Electron Microscopy (FE-SEM), dan Vibrating Sample Magnetometer (VSM).

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Untuk mengidentifikasi struktur kristal dari sampel Fe 3 O 4 yang telah dilapisi oleh molekul PEG dan telah disonikasi, maka  dilakukan  karakterisasi  menggunakan XRD. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, hasil

## Jurnal Teknik Mesin: CAKRAM (2018) Silviana Simbolon,
Efek Sonikasi terhadap Proses Pembentukan…,
analisa XRD dengan menggunakan sofware Match! menunjukkan bahwa serbuk sampel terdiri dari fasa kristal Fe 3 O 4 sebagai fasa dominan dan γ-Fe 2 O 3 sebagai fasa minor. PadaTabel 1, dapat dilihat bahwa dari fasa Fe 3 O 4 diperoleh nilai parameter kisi a sebesar 8,3963 Å dengan struktur kristal spinel kubik serta memiliki bidang hkl secara  berturut-turut  adalah (220), (311), (400), (422), (511), dan (440). Dari  puncak  bidang  tertinggi (311) diketahui  bahwa  kristal Fe 3 O 4 memiliki  nilai FWHM sebesar 0,01553 radian  dan  memiliki  ukuran diameter kristalin  sebesar 9,383 nm.  Ukuran diameter kristalin di hitung menggunakan rumus 𝑑𝑑 = 𝑘𝑘𝜆𝜆 / 𝐵𝐵 cos 𝜃𝜃 dimana d ukuran kristal, k  is  a  konstanta  Scherrer,  λ  adalah  panjang  gelombang  x-ray and B lebar bagian tengah hingga puncak (FWHM).  Sedangkan dari fasa γ-Fe 2 O 3 diperoleh nilai parameter kisi a sebesar 8,35 Å dengan  struktur  kristal Kubik.  Munculnya fasa  γ-Fe 2 O 3 disebabkan  oleh  selamaproses sintesis  nanopartikel Fe 3 O 4 terjadi proses oksidasi dari Fe 2+ menjadi Fe 3+ sehingga terbentuklah fasa γ-Fe 2 O 3 .
20 40 60 80 + + + + γ − Fe 2 O 3 (Maghemite) Intens ita s (a .u) 2 θ (degree) Fe 3 O 4 (magnetite) (3 1 1) (2 2 0) (4 0 0) (4 2 2) (5 1 1) (4 4 0)
Gambar 1. Hasil karakterisasi XRD sampel Fe 3 O 4 tanpa PEG-6000 dan tanpa proses sonikasi.
Tabel 1. Parameter kisi Fe 3 O 4 dan γ-Fe 2 O 3 Fasa Parameter kisi (Å) Struktur kristal Fe 3 O 4 γ-Fe 2 O 3 8,3963 8,35 Kubik Kubik
Dari Gambar 2a, diketahui bahwa mikrostruktur pada sampel Fe 3 O 4 terjadi aglomerasi atau penggumpalan partikel Fe 3 O 4 dengan rata-rata ukuran partikel sebesar 18-80 nm yang dianalisa melalui gambar menggunakan sofware imageJ. Proses aglomerasi pada partikel ini terjadi akibat adanya surface area yang besar (rasio antara volume dan luas permukaan) sehingga menghasilkan energi permukaan ( surface energy ) yang tinggi. Dengan adanya penambahan PEG-6000, proses aglomerasi semakin berkurang dan dispersi nanopartikel semakin meningkat [16]. Hal tersebut ditunjukkan pada gambar 2b dimana ukuran  rata-rata  partikel pada sampel Fe 3 O 4 dengan  penamabahan PEG-6000 sebesar  ±25 nm.  Selain itu, akibat penambahan PEG  juga memperjelas  garis boundary antar partikel Fe 3 O 4 . Kemungkinan terbesar berkurangnya proses aglomerasi ini dikarenakan lapisan PEG yang melapisi permukaan partikel memperlemah interaksi antar partikel. Pada  Gambar 2c  menunjukkan partikel dari sampel  Fe 3 O 4 dengan penambahan PEG-6000 yang  telah disonikasi  selama 15 menit memiliki ukuran sebesar ± 45 nm. Dari gambar tersebut terlihat bahwa akibat getaran yang dihasilkan oleh efek sonikasi mampu meningkatkan dispersi nanopartikel sehingga cukup efektif mengurangi terjadinya proses aglomerasi.

## Jurnal Teknik Mesin: CAKRAM (2018) Silviana Simbolon, Efek Sonikasi terhadap Proses Pembentukan…,
Gambar 2. Hasil  karakterisasi FE-SEM  pada  mikrostruktur  sampel  Fe 3 O 4 a)  tanpa PEG-6000, b) dengan penambahan PEG-6000 dan c) dengan penambahan PEG-6000 dan proses sonikasi.
Dari hasil pengukuran sifat magnetik (Gamar 3) diketahui bahwa sampel Fe 3 O 4 , Fe 3 O 4 + PEG, dan Fe 3 O 4 + PEG setelah sonikasi memiliki karakteristik superparamagentik [17]. Seperti ditunjukkan pada Tabel 2, sampel Fe 3 O 4 memiliki  nilai  koersivitas  (H jc )  sebesar  90,54  Oe, remanensi  ( M r ) sebesar  3,06 emu/g dan  magnetik saturasi  ( M s ) sebesar  47,21 emu/g. Namun  setelah  ditambahkan PEG, nilai  saturasi  menurun  menjadi  33,84 emu/g. Penurunan nilai saturasi ini dapat disebabkan oleh ukuran kristalin yang lebih kecil serta adanya material nonmagnetik yang menyelimuti nanopartikel Fe 3 O 4 .
Tabel 2. Sifat magnetik dari sampel Fe 3 O 4 a) tanpa PEG-6000, b) dengan PEG-6000 dan c) dengan PEG-6000 dan proses sonikasi.
Sampel H cj (Oe) M s (emu/g) M r (emu/g) A 90.54 47.21 3.06 B 102.64 33.84 3.68 C 93.36 61.96 3.82
Sementara  itu, nilai  koersivitas  dan  remanensi  mengalami  kenaikan  dikarenakan  adanya PEG yang memperkecil  pengaruh  medan magnet eksternal  ketika  diturunkan, sehingga domain magnetik  dari Fe 3 O 4 cenderung lebih lambat untuk menyesuaikan arah medan eksternal. Pada sampel yang telah di sonikasi, terjadi kenaikan  nilai  remanensi  dan  saturasi, namun  nilai  koersivitasnya  menurun  dibandingkan  sampel  nanopartikel Fe 3 O 4 tanpa sonikasi. Perubahan ini disebabkan karena ukuran nanopartikel yang lebih besar namun aglomerasi tidak terlalu signifikan dibandingkan tanpa sonikasi. Dari hasil yang didapatkan kondisi terbaik diperoleh pada serbuk  Fe 3 O 4 dengan penambahan PEG-6000 dan proses sonikasi. Hal ini disebabkan sifat magnetik  serbuk Fe 3 O 4 tersebut memiliki sifat mendekati sifat superparamagnetik yaitu memiliki ukuran nanopartikel dengan remansi dan koersivitas yang sangat kecil dibandikan medan magnetic eksternal dan magnetik saturasi tinggi.
b a
c

## Jurnal Teknik Mesin: CAKRAM (2018) Silviana Simbolon, Efek Sonikasi terhadap Proses Pembentukan…,
-30000 -20000 -10000
0 10000 20000 30000 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 C. Fe3O4+PEG+SONIKASI
B. Fe3O4+PEG A. Fe3O4 C A
B σ ( em u/ g ) H ext (Oe)
Gambar 3. Kurva histerisis dari sampel Fe 3 O 4 a) tanpa PEG-6000, b) dengan PEG-6000 dan c) dengan PEG- 6000 dan proses sonikasi.

## KESIMPULAN
Nanopartikel magnetit (Fe 3 O 4 ) telah berhasil dipreparasi dengan penambahan PEG-6000 menggunakan metode kopresipitasi.  Serbuk nanopartikel  Fe 3 O 4 memiliki dua fasa yaitu Fe 3 O 4 sebagai  fasa  dominan  dan  γ-Fe 2 O 3 sebagai fasa minor. Pada sampel Fe 3 O 4 terjadi aglomerasi atau penggumpalan partikel dengan ukuran partikel sebesar 20-80 nm. Sementara itu, sampel Fe 3 O 4 dengan penambahan PEG-6000 memiliki ukuran sebesar  ±25 nm. Dengan adanya penambahan PEG-6000 pada sampel Fe 3 O 4 ,  garis boundary antar partikel Fe 3 O 4 semakin jelas. Sedangkan pada sampel Fe 3 O 4 dengan penambahan PEG-6000 yang telah disonikasi selama 15 menit memiliki ukuran partikel sebesar ±45 nm. Efek dari sonikasi ini secara signifikan mampu mengurangi terjadinya proses aglomerasi. Kondisi optimum didapatkan pada sampel pada sampel Fe 3 O 4 yang telah diberi PEG-6000 dan melalui proses sonikasi yang memiliki nilai koersivitas sebesar 93,36 Oe, magnetik saturasi 3,82 emu/g, dan remanensi 61,96 emu/g.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]  P.K. Deheri, V. Swaminathan, S.D. Bhame, Z. Liu, R.V. Ramanujan, Chem. Mater. 22 (2010) 6509–6517. [2]   I. Sharifi, H. Shokrollahi, S. Amiri, J. Magn. Magn. Mater. 324 (2012) 903–915.
[3]   S.D. Bhame, V. Swaminathan, P.K. Deheri, R.V. Ramanujan, Adv. Sci. Lett. 3 (2010) 1–6.
[4]   S. Thomas, D. Sakthikumar, Y. Yoshida, M.R. Anantharaman, J. Nanopart. Res. 10 (2008) 203–206.
[5]   J. Philip, T. Jaykumar, P. Kalyanasundaram, B. Raj, Meas. Sci. Technol. 14 (2003) 1289–1294.
[6]   M. NabeelRashin, and J. Hemalatha, Ultrasonic 52 (2012) 1042-1029. Elsevier. Doi :10.1016/j.ultras.2012.08.005
[7]  Suharyadi E, Setiadi E A, Shabrina N, Kato T and Iwata S,  Adv. Mater. Res. 896 (2014) 126 [8]  Liang X, Shi H, Jia X, Yang Y, and Liu X,  Mater. Sci. Appl. 2 1644
[9]  Bangale S V, Patil  D R, and Bamane S R, Archives of Applied Science Research 3 (2011) 506
[10]  Setiadi E A,  Sebayang P, Ginting M, Sari A Y, Kurniawan C, Saragih C S and  Simamora P Journal of Physics: Conference Series 776 012020 (2016)
[11]  Zhang Y, Kohler N and Zhang M Q, Mat. Res. Soc. Symposium Proceeding MRS San Francisco 981 (2002)
[12]  Zhang Y, Kohler N and Zhang M Q  Biomaterials 23 (2002) 1553

## Jurnal Teknik Mesin: CAKRAM (2018) Silviana Simbolon,
Efek Sonikasi terhadap Proses Pembentukan…,
[13]  Nursa, I., Dwi P., dan Arif B, Jurnal Fisika Unand (2016)
[14] C. S. Saragih and P. Simamora E. A. Setiadi, P. Sebayang, M. Ginting, A. Y. Sari, C. Kurniawan, Journal of Physics: Conference Series (2017) Doi: 10.1088/1742-6596/776/1/012020.
[15]  Simbolon S, Setiadi E A, Saputra A S P, Marlianto E, Djuhana, Kurniawan C, Yunus M, and Sebayang P. (2018). Doi :10.1088/1757-899X/309/1/012029.
[16]  V.A.J. Silva, P.L. Andrade, M.P.C. Silva, A.  Bustamante Domingue, Luis De Los Santos Valladares,  J. Albino Aguiar, J. Magn. Magn. Mater. (2013) Doi: 10.1016/j.jmmm.2013.04.062i.
[17]  M. Anbarasu, M. Anandan, E. Chinnasamy, V. Gopinath,  K. Balamurugan, Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy 135 (2015) 536–539.