STUDI KARAKTERISASI BAHAN MAGNETIK DENGAN VIBRASI SAMPEL MAGNETOMETER (VSM)

BAB I

PENDAHULUAN

A.    Latar Belakang Masalah

Keberadaan partikel-partikel nano di alam dalam waktu belakangan ini banyak menarik ilmuwan untuk mengembangkan ilmu pengetahuan dan teknologi. Banyak alat-alat yang diciptakan untuk meneliti manfaat dan daya guna dari partikel-partikel nano tersebut. Salah satu partikel nano tersebut adalah partikel nano magnetic yang menjadi kajian material menarik bagi ilmuwan karena sifatnya yang sangat potensial dan aplikasinya yang dapat dimanfaatkan dalam berbagai bidang seperti ferrofluids, katalis, pigmen warna, dan diagnose medis.

Sifat partikel nano magnetic sangat bergantung pada ukuran partikelnya. Semakin kecil ukurannya, maka sifat yang dikandungnya semakin fleksibel dan mempunyai daya magnetic yang baik. Seperti partikel nano magnetic yang memiliki ukuran dibawah 10 nm, akan bersifat superparamagnetik pada temperature ruang, artinya energy termal yang ada di ruangan tersebut dapat menghalangi anisotropi energy penghalang partikel nano magnetic tunggal. Oleh karena itu, proses dan alat untuk melihat dan menganalisis sintesis partikel nano seragam dengan melihat ukuran dan sifatnya menjadi salah satu kajian yang penting dalam perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi.

Salah satu bahan magnetic yang telah luas dipelajari adalah partikel Fe₃O₄. Tujuan dari penelitian sampel ini untuk menyelidiki sifat magnetiknya yang banyak digunakan dalam aplikasi biologis dan medis. Partikel nano magnetic Fe₃O₄ dapat dikaji sifat magnetiknya dengan perangkat Vibrating Sampel Magnetometer (VSM). Alat ini dapat menganalisis sifat magnetic partikel nano Fe₃O₄ sehingga partikel ini dapat dimanfaatkan sebagai material diagnose medis.

B.     Rumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang masalah diatas, maka dapat dirumuskan permasalahan sebagai berikut :

1.      Bagaimana menganalisis sifat magnetic dari nanopartikel ?

2.      Bagaimana prinsip kerja dari Vibrating Sample Magnetometer (VSM) untuk melihat sifat magnetic nanopartikel ?

3.      Apa kegunaan dan aplikasi dari Vibrating Sample Magnetometer (VSM) ?

4.      Apa saja aspek fisis dari perangkat Vibrating Sample Magnetometer  (VSM) ?

C.    Tujuan Penulisan

Berdasarkan rumusan masalah diatas, maka tujuan dari penulisan ini adalah :

1.      Mengetahui sifat magnetic dari partikel nano, misal partikel nano Fe₃O_4.

2.      Mengetahui prinsip kerja dari Vibrating sample Magnetometer (VSM).

3.      Mengetahui kegunaan dan aplikasi dari Vibrating Sample Magnetometer (VSM)

4.      Mengetahui aspek fisis dari perangkat  Vibrating Sample Magnetometer (VSM)

BAB II

PEMBAHASAN

A.    Pengertian Vibrating Sample Magnetometer (VSM)

Vibrating Sampel Magnetometer merupakan perangkat yang bekerja untuk menganalisis sifat kemagnetan suatu bahan. Alat ini ditemukan oleh Simon Foner pada tahun 1955 di Laboratorium Lincoln MIT.

Vibrating Sample Magnetometer telah menjadi instrument yang banyak digunakan utnuk menetukan sifat magnetic dari berbagai macam material yang berukuran nano. Diantara sifat magnetic partikel tersebut akan digolongkan berdasarkan sifat kemagnetannya yaitu diamagnetic, paramagnetic, ferromagnetik, antiferomagnetik. Bahan dengan sifat diamagnetik mempunyai kerentanan magnetic (k) negative dan sangat kecil, bahan dengan sifat paramagnetik mempunyai nilai kerentanan magnetic (k) positif dan lebih besar dari 1 dimana nilai k juga bergantung pada temperature, sedangkan bahan bersifat ferromagnetic dan antiferomagnetik mempunyai nilai k yang positif dan lebih besar dari paramagnetic.

Material jenis feromagnetik dan anti ferromagnetic ini mempunyai magnetisasi spontan tanpa medan luar dan kemagnetannya dipengaruhi oleh suhu. Sampel atau bahan yang biasanya digunakan untuk pengujian menggunakan perangkat Vibrating Sample Magnetometer (VSM) ini adalah Ferrofluid (Fe₃O₄) dan mangan (Mn₃M_XO₄).

(www.wikipedia.com)

B.     Komponen Vibrating Sample Magnetometer (VSM) dan Fungsinya

Vibrating Sample Magnetometer (VSM) mempunyai komponen yang dapat dibedakan berdasarkan fungsi dan sifat fisisnya. Komponen-komponen tersebut tersusun membentuk satu set perangkat VSM yang menjalankan fungsinya masing-masing sesuai dengan gambar 1. Berdasarkan gambar.1 dapat diuraikan beberapa komponen dari Vibrating Sample Magnetometer (VSM) dan fungsi masing-masing komponen penyusunnya.

Gambar 1. Komponen Vibrating Sample Magnetometer (VSM)

Berdasarkan gambar.1 dapat diuraikan beberapa komponen dari Vibrating Sample Magnetometer (VSM), yaitu :

Sesuai dengan label : 

A.    Kepala Generator

sebagai tempat melekatnya osilasi sampel yang dipindahkan oleh transduser  piezoelektrik.

B.     Elektromagnet atau Kumparan Hemholtz

berfungsi untuk menghasilkan medan magnet untuk memagnetisasi sampel dan mengubahnya menjadi arus listrik. Resonansi sampel oleh transduser piezoelektrik juga dilairkan kebagian ini dengan capaian frekuensi sama dengan 75 Hz.

C.     Pickup Coil

berfungsi untuk mengirim sinyal listrik ke amplifier. Sinyal yang telah diinduksi akan ditransfer oleh pickup coil ke input diferensial dari lock-in amplifier.

Sinyal dari pick-up koil terdeteksi oleh lock-in amplifier diukur sebagai fungsi dari medan magnet dan memungkinkan kita untuk mendapatkan loop histeresis dari sampel diperiksa. Untuk osilasi harmonik dari sampel, sinyal (e) induksi di pick-up koil sebanding dengan amplitudo osilasi (K), frekuensi osilasi sampel (ω) dan momen magnet (m) dari sampel yang akan diukur pada Vibrating Sample Magnetometer (VSM).

D.    Sensor Hall

digunakan untuk mengubah dan mentransdusi energi dalam medan magnet menjadi tegangan (voltase) yang akan menghasilkan arus listrik. Sensor hall juga digunakan untuk mengukur arus tanpa mengganggu alur arus yang ada pada konduktor. Pengukuran arus ini akan menghubungkan sensor hall dengan teslameter.

E.     Sensor Kapasitas

berfungsi memberikan sinyal sebanding dengan amplitudo osilasi sampel dan persediaan tegangan untuk sistem elektronik yang menghasilkan sinyal referensi. Selanjutnya sinyal akan diberikan kepada masukan referensi dari lock-in amplifier. Output konverter digital akan dikirim ke analog (DAC1out) dan output digital (D1out) dari lock-in akan mengontrol penguat arus yang mengalir melalui elektromagnet dan menunjukkan arahnya masing-masing.

Komponen pendukung Vibrating Sample Magnetometer (VSM) :

1.      Teslameter

Berfungsi untuk mengukur medan magnet berdasarkan sinyal yang ditransdusi oleh sensor hall.

2.      Voltmeter

Berfungsi untuk mengukur tegangan listrik yang dikirim oleh pickup koil ke amplifier VSM.

C.    Cara Kerja Vibrating Sample Magnetometer (VSM)

Cara kerja dari Vibrating Sample Magnetometer (VSM) dapat diuraikan berdasarkan gambar berikut :

Gambar2. Prinsip Kerja Vibrating Sample Magnetometer(VSM)

Berdasarkan gambar2 diatas, maka dapat diuraikan langkah kerja dari Vibrating Sample Magnetometer (VSM) :

1.      Menempatkan sampel  dalam medium preparat

Sebelum menjalankan fungsi alat VSM, langkah yang harus dilakukan adalah menempatkan sampel dalam preparat yang berada ditengah perangkat VSM. Sampel diletakkan pada ujung batang medium preparat yang dipasang pada sebuah transduser elektromekanis.

2.      Menginduksi momen dipole sampel

Sampel dari partikel yang telah ditempatkan pada preparat, akan dikondisikan dalam medan magnet yang seragam. Hal ini terjadi karena adanya induksi magnetic yang dilakukan oleh tepi dinding magnetizing pada pickup koil VSM.

3.      Mengukur sinyal standar sampel

Setelah induksi magnet dilakukan pada magnetizing, sampel akan memperlihatkan sinyal berupa getaran-getaran dengan gerakan sinusoida dalam medium pickup koil. Sinyal ini memiliki frekuensi yang sama, dimana getaran sampel akan sebanding dengan amplitude dan medan magnet partikel.

4.      Output unit vibrasi magnetometer

Sinyal yang dikirim dari sistem pickup koil akan diteruskan ke penguat differensial yang terdapat pada unit vibrasi. Output dari penguat differensial ini kemudian diproses di amplifier yang menerima sinyal referensi. Dan hasil akhir dari proses identifikasi sinyal ini akan diberikan oleh magnetometer berupa sinyal DC proporsional yang memberikan informasi momen magnetic sampel yang sedang dianalisis.

Bentuk Output dari Vibrating Sample Magnetometer (VSM) :

Gambar 3. Hasil keluaran dari Vibrating Sample Magnetometer (VSM)

Sebuah keluarga loop BH untuk berorientasi listrik baja-butir dalam bidang bervariasi sinusoida dengan amplitudo dari 0,3 T ke 1,7 T. B _R menunjukkan remanen dan H _C adalah koersivitas.

D.    Aplikasi dan Kegunaan  Vibrating Sample Magnetometer (VSM)

1.      Aplikasi VSM

Perangkat Vibrating Sampel Magnetometer (VSM) dalam penggunaanya akan dihubungkan langsung dengan instrument dasar elektromekanis seperti komputer. Peranan komputer dalam hal ini bertujuan untuk membaca data yang diinformasikan oleh alat Vibrating Sample Magnetometer (VSM).  Aplikasi  penggunaan VSM dengan menganalisis sampel berupa partikel nano biasanya digunakan dalam bidang keilmuan material, fabrikasi komponen elektronika, dan diagnose medis.

Gambar 4. Aplikasi Perangkat Vibrating Sampel Magnetometer (VSM) 

2.      Kegunaan VSM

Secara umum Vibrating Sample Magnetometer digunakan untuk beberapa hal berikut :

a.       Mengukur moment magnet berdasarkan sinyal DC proporsional partikel yang dianalisis.

b.      Mengetahui fungsi temperature (analisis thermomagnetik), sudut (anisotropi), dan waktu terhadap medan magnet sampel (partikel).

c.       Melihat kerentanan, kejenuhan dan daya magnetisasi suatu bahan uji.

3.      Penggunaaan VSM dalam penelitian

Salah satu penelitian yang telah dilakukan oleh para peneliti dengan menggunakan Vibrating Sample Magnetometer (VSM) adalah terhadap sampel partikel nano Ferrofluid Fe₃O₄. Pada penelitian tersebut dilakukan proses kopresipitasi untuk melihat sintesis dan karakterisasi struktur serta sifat magnetic nanopartikel Fe3O4 dengan template PEG – 1000. Fe3O4 disintesis dari pasir besi (ferit alami). Hasilnya akan dibandingkan lebih lanjut dengan hasil sintesis Fe3O4 menggunakan PEG – 400 dari penelitian sebelumnya.

Selanjutnya ferrofluid dienkapsulasi dengan difraktometer sinar X untuk mengetahui struktur morfologi dan ukuran kristalinnya. Sedangkan untuk keberadaan bahan magnetic dan sifat kemagnetannya dilakukan pengujian dengan menggunakan Vibrating Sample Magnetometer (VSM).

Pada penelitian ini,  sampel yang digunakan sebagai objek merupakan data pada table.1 berikut :

Tabel 1. Ukuran Kristal masing-masing Sampel

Sampel	Ukuran Partikel (nm)
Fe3O4	10,9 ± 0,3
Fe3O4 dengan PEG 1:1	7,3 ± 0,1
Fe3O4 dengan PEG 1:2	6,5 ± 0,1
Fe3O4 dengan PEG 1:4	7,5 ± 0,1

Sifat magnetik Fe3O4 hasil pengukuran dengan VSM ditunjukkan dari Gambar 3. Dari gambar tersebut dapat dilihat bahwa partikel Fe3O4 dengan dan tanpa penambahan PEG-1000 tergolong magnet lunak, karena dari kurva histeresis mempunyai urut balik yang hampir simetris ketika dikenai medan magnet maupun ketika medan magnet ditiadakan. Atau dapat dilihat dari luasan kurva histeresis yang sempit. Luasan kurva histeresis menunjukkan energi yang diperlukan untuk megnetisasi. Pada magnet lunak, untuk magnetisasi memerlukan energi yang sangat kecil. Dari Gambar 3 dapat dilihat juga bahwa dengan atau tanpa penambahan PEG-1000, sifat dari partikel nano Fe3O4 sendiri tetap bersifat ferimagnetik; meskipun ukuran kristalnya di bawah 10 nm yang dimungkinkan sifatnya berubah menjadi superparamagnetik. Suatu bahan dapat dikatakan bersifat superparamagnetik jika memiliki nilai Hc = 0. Hal ini dapat diketahui dari nilai Hc dari masing-masing sampel yang nilainya lebih besar dari nol. Nilai magnetisasi saturasi partikel Fe3O4 tanpa penambahan PEG-1000 sebesar 46 emu/gr, lebih tinggi dibandingkan Fe3O4 dengan penambahan PEG-1000. Hasil ini juga berbeda dengan nilai magnetisasi saturasi Fe3O4 dengan penambahan PEG-400 yang besarnya 34,2 emu/gr [6] yang mempunyai ukuran kristal yang lebih besar dibandingkan dengan penambahan PEG-1000. 

Gambar 5. Kurva Histeresis Fe₃O₄ tanpa dan dengan penambahan PEG 1000 menggunakan VSM

Hasil penelitian menunjukkan bahwa nanopaartikel  Ferrofluid, nilai medan koersivitas dan magnetisasi remanen dari partikel Fe3O4 tanpa penambahan PEG-1000 berbeda dibandingkan dengan penambahan PEG-1000 dengan kecenderungan yang berlawanan. Perbedaan ini cukup menarik mengingat ada sejumlah faktor yang menentukan secara simultan. Dalam penelitian ini sifat magnetik belum dibahas secara tuntas dan masih memerlukan kajian yang lebih mendalam. Namun demikian, jelas bahwa kekuatan magnetik partikel dipengaruhi oleh ukurannya.

Dapat dilihat pada table 2.

Tabel 2 : Nilai magnetisasi saturasi (Ms), medan koersivitas (Hc) dan magnetisasi remanen (Mr) untuk masing-masing sampel

Sampel	Ms (emu/gr)	Hc (Tesla)	Mr (emu/gr)
Fe3O4	46,0	-0,0084	40,1
Fe3O4 dengan PEG 1:1	42,0	-0,0100	35,7
Fe3O4 dengan PEG 1:2	38,0	-0,0099	33,3
Fe3O4 dengan PEG 1:4	38,0	-0,0097	33,7

(Sumber : Jurnal Ilmiah “Sintesis Nanopartikel Fe₃O₄ dengan Template PEG-1000 dan Karakterisasi Sifat Magnetiknya)” :Febie Angelia Perdana, dkk-Jurnal Material dan Energi Indonesia)   

4.      Penggunaan VSM dalam bidang medis

Aplikasi Vibrating Sample Magnetometer (VSM) dalam bidang biomedis diuraikan berdasarkan pemanfaatan nanopartikel magnet di bidang medis secara in vivo antara lain digunakan pada Hypethermia Treatment untuk menyembuhkan penyakit tumor. Secara in vivo ,partikel magnet harus terdispersi dan membentuk system koloid. Sedangkan secara ex vitro antara lain untuk pelabelan sel dan separasi sel.

E.     Aspek Fisis Vibrating Sample Magnetometer (VSM)

Beberapa aspek fisis yang berhubungan dengan prinsip dan sistem alat Vibrating Sample Magnetometer(VSM)

a)      Hukum Faraday

VSM beroperasi berdasarkan hukum Faraday induksi yang menyatakan bahwa medan magnet yang berubah akan menghasilkan medan listrik. Medan listrik ini dapat diukur dan dapat memberitahu informasi tentang medan magnet yang berubah.

Menurut Hukum Faraday, Gaya Gerak Listrik (GGL) induksi yang timbul diantara ujung-ujung suatu Loop penghantar berbanding lurus dengan laju perubahan fluks magnetic yang dilingkupi oleh loop penghantar tersebut.

Hukum Faraday, dirumuskan sebagai berikut :

Dimana :

ε : GGL Induksi antara ujung-ujung penghantar (Volt)

N: Banyaknya lilitan kumparan

ΔΦ: Perubahan fluks magnetik (Wb)

Δt: Selang waktu perubahan fluks magnetik (s)

Bila suatu magnet permanen digerakkan masuk dan keluar suatu kumparan penghantar maka pada kumparan tersebut akan timbul tegangan listrik (GGL).

b)      Elektromagnetisme

Elektromagnetisme adalah gaya yang menyebabkan interaksi antara partikel bermuatan elektrik, daerah  terjadinya elektromagnetisme disebut medan elektromagnetik . VSM sesuai fungsinya bekerja memproses magnetisasi suatu bahan berdasarkan sinyal listrik yang dikirim oleh system pickup koil. Oleh karena itu, pada VSM juga dikenal istilah elektromagnetisme.

c)      Hysteresis Magnetik

Histeresis magnetik merupakan suatu sifat ketergantungan bahan terhadap proses internal system magnetic itu sendiri. Fenomena hysteresis terjadi didalam magnetik bahan, ferromagnetic material,  ferroelectric bahan serta dalam elastic listrik dan magnetic perilaku bahan.

Ketika sebuah medan magnet eksternal diterapkan untuk feromagnet, maka atom dipol menyesuaikan diri dengan bidang eksternal. Bahkan ketika bidang eksternal dihapus, bagian dari pelurusan akan tetap dipertahankan: bahan tersebut telah menjadi magnet.

d)     Medan  Magnetik dan Gaya Magnetik

Medan magnet adalah suatu medan gaya yang dihasilkan dengan memindahkan muatan listrik , dengan medan listrik yang bervariasi dalam waktu , dan oleh intrinsik 'medan magnet' dari partikel dasar yang berkaitan dengan spin partikel. Pada VSM, medan magnet diaplikasikan sejalan dengan sifat elektromagnetisme sebagai tempat terjadinya proses elektromagnetik.

Jika dua benda atau kutub magnetic terpisah pada jarak r dan muatannya masing-masing m1 dan m2, maka gaya magnetic yang dihasilkan adalah :

Dengan  : permeabilitas magnetic yang menunjukkan sifat medium

F : gaya magnetic pada m2

r’ : vector satuan berarah dari m1 ke m2

Dalam melakukan pengamatan untuk melihat nilai magnetic suatu bahan, medan magnetic yang terukur oleh magnetometer adalah medan magnet induksi termasuk efek magnetisasinya dengan mengabaikan efek medan magnet remanen, yang dalam system MKS diberikan oleh persamaan berikut :

dengan  bernilai 4π x 10^-7 adalah permeabilitas magnetic pada ruang hampa.

F.     Perbedaan Alat Ukur Bahan Magnetik lain dengan VSM

            Selain Vibrating Sample Magnetometer (VSM), alat yang digunakan untuk melihat sifat kemagnetan suatu bahan adalah Bartington Instrument dan Earth Magnetometer. Dengan menganalisa beberapa aspek dari alat-alat ini maka penulis dapat mengklasifikasikan perbedaan antara VSM dengan Bartington Instrument dan Magnetometer. Untuk lebih jelasnya, berikut ditampilkan perbedaan antara VSM dengan Bartington Instrument dan Magnetometer

Tabel 3. Perbedaan VSM dengan Bartington Instrument dan Magnetometer

No	Aspek Pembeda	Instrument
		VSM	Bartington	Magnetometer
1	Jenis Sampel	Unsur alam khusus seperti Ferrofluid dan Mangan	Partikel halus atau serbuk material	Kawasan base (lingkungan)
2	Ukuran Sampel	Nanopartikel	Milipartikel (partikel halus)	Menggunakan objek pengukuran berupa kawasan tertentu
3	Prinsip Kerja	Memanfaatkan getaran (vibrasi) yang dihasilkan pickup koil	Pemograman berdasarkan input data dan sampel	Pengukuran berdasarkan base station (lokasi dan grid) di lapangan
4	Objek Ukur	Suseptibilitas  Magnetik	Suseptibilitas Magnetik	Intensitas Medan Magnet
5	Aplikasi	Fabrikasi komponen, dianosa medis	Kajian dan penelitian material bahan guano	Eksplorasi bahan mineral dan prospeksi benda-benda arkeologi

BAB III

PENUTUP

A.    Kesimpulan

Berdasarkan pemaparan makalah diatas, maka dapat disimpulkan beberapa hal berikut :

1.      Vibrating Sample Magnetometer adalah suatu perangkat yang bekerja untuk menganalisis sifat kemagnetan suatu bahan atau partikel uji (sampel).

2.      Cara kerja dari Vibrating Sampel Magnetometer adalah ;

a)      Menempatkan sampel  dalam medium preparat.

b)      Menginduksi momen dipol sampel

c)      Mengukur sinyal standar sampel

d)     Output unit Vibrasi Magnetometer

3.      Kegunaan dari Vibrating Sample Magnetometer antara lain :

a)      Mengukur moment magnet berdasarkan sinyal DC proporsional partikel yang dianalisis.

b)      Mengetahui fungsi temperature (analisis thermomagnetik), sudut (anisotropi), dan waktu terhadap medan magnet sampel (partikel).

c)      Melihat kerentanan, kejenuhan dan daya magnetisasi suatu bahan uji.

4.      Aspek fisis dari Vibrating Sample Magnetometer ini adalah :

a)      Elektromagnetisme

b)      Aplikasi hukum faraday

c)      Histeresis magnetic

d)     Medan Magnetik dan Gaya Magnetik