Fisika Material ( sejarah dan pengklasifikasiannya )

       Sebagai mahasiswa fisika tentunya tak asing lagi dengan matakuliah yang satu ini , oleh karana itu disini saya ingin membagi sedikit pengetahuan dengan kawan-kawan semua. untuk lebih jelasnya adalah sebagai berikut .

Sejak jaman dahulu kala material sudah menjadi bagian dari peradaban manusia , sebagai contoh pada masa lampau kita kenal ada beberapa periode yakni Zaman batu, Zaman Perunggu dan Zaman besi. Apalagi teknologi–teknologi mutakhir masakini pastinya sangat bergantung pada meterial canggih ,sehingga tak heran jika semuanya memanfaatkan perangkat produk dan sistem yang terbuat dari meterial .

Setiap bagian dari kehidupan kitapun tak luput dari peranan metiral seperti pakaian, bangunan, transportasi, produk makanan, komunikasi serta hiburan . Semakin banyaknya penelitian yang dilakukan oleh para ilmuan dan ahli teknologi selama ini maka banyak orang yang dapat membuat produk-produk lebih baik. Menurut sejarah , kemajuan dan perkemabangan  dari kehidupan manusia ternyata berkaitan dengan kemampuan untuk membuat dan merekayasa material untuk memenuhi kebutuhan hidup.

Saat pertamakali manusia berada dibumi hanya sedikit materal yang dikenal, seperti misalnya kayu, batu, kulit dan tanah. Namun dengan seiring berjalannya waktu dan semakin berkembangnya manusia maka kebutuhan akan materialpun semakin hari semakin bertambah sehingga memaksa manusia untuk menciptakan inofasi-inofasi baru dengan melakukan beberapa teknik sehingga mampu menciptakan material baru yang memiliki sifat lebih unggul dari material yang ada di alam, seperti misalnya logam, plastik, kaca dan fiber.

Pada dasarnya ilmu material meliputi penyelidikan terhadap hubungan yang muncul diantara struktur dan sifat-sifat material . Rekayasa material (material engineering) sendiri adalah dasar suatu ilmu untuk merancang atau merekayasa struktur dari suatu material untuk menghasilkan sifat-sifat yang diinginkan sebelumnya.

Para ilmuan dan insinyur merupakan orang yang ahli di bidangnya untuk merancang suatu maerial baru. Namun, terkadang banyak ilmuan atau insinyur di bidang mekanik, sipil, kimia, atau listrik pada suatu waktu mengalami kesulitan dalam merancang suatu material, sebagai contoh transmisi pada roda gigi, membuat struktur yang kuat untuk bangunan, membuat komponen yang sangat halus untuk pelumas, atau kesulitan dalam pembuatan IC (Intergerated Circuit).

Alasan mengapa kita perlu untuk belajar material adalah agar kita dapat memilih material yang tepat diantara banyaknya macam material yang ada. Secara mendasar terdapat beberapa kriteria untuk menentukan keputusan akhir dalam memilih suatu material. Pertama-tama kondisi awal harus dikarakterisasi, oleh karena itu para ilmuan atau insinyur harus mengetahui sifat-sifat apa saja yang dibtuhkan dari suau material, karena jarang sekali dapat dibentuk suatu material dengan kombinasi yang ideal. Contoh klasik dari permasalahan ini meliputi kekuatan (strength) dan kelenturan (ductility); secara normal material yang memiliki sifat sangat kuat hanya memiliki sifat kelenturan yang sangat terbatas.

Pertimbangan kedua dalam pemilihan suatu material adalah sifat deterioration (sifat buruk) yang dapat muncul selama proses operasi. Sebagai contoh, reduksi yang signifikan dalam kekuatan mekanik kemungkinkan dihasilkan karena terpapar (exposure) suhu yang tinggi atau lingkungan yang korosif (merusak).
Kemungkinan besar suatu pertimbangan dalam pemilihan suatu material ditolak karena alasan ekonomi: Berapa biaya akhir dari material yang dihasilkan?. Bisa saja sebuah material ditemukan dengan kombinasi sifatnya yang ideal namun dibutuhkan biaya produksi yang sangat mahal sekali. Selain itu beberapa pertimbangan (kompromi) tidak dapat dihindarkan. Selain itu, biaya untuk menyelesaikan sebuah keping juga membutuhkan banyak biaya lain (waktu, tenaga, dan lain-lain) selama proses pabrikasi untuk menghasilkan bentuk yang diinginkan.

Para ilmuan dan perekayasa material sudah terbiasa berhadapan dengan berbagai variasi karakteristik material dan memahami hubungan yang erat antara struktur dan sifat suatu material, sebaik pemahaman mereka tentang teknis memproses suatu material membuat mereka ahli dan yakin dalam memilih suatu material berdasarkan kriteria tersebut.

Pemanfaatan suatu material disesuaikan dengan sifat-sifat yang ada pada material itu sendiri dengan melalui proses seleksi . Sampai saat ini sudah banyak material yang telah dibuat dan semuanya itu dapat dikatagorikan menjadi logam , plastic, gelas , dan serat.

Kemajuan dalam memahami berbagai jenis material merupakan suatu pratanda dari kemajuan dalam bidang teknologi. Sebagai contoh adalah pemanfaatan bahan silicon, material ini menumbuhkan industri bernilai triliunan dollar. Material ini juga membantu komunikasi di semua bidang, dari alat bantu hingga telemetri ruang angkasa. Keseharian kita diubah akibat adanya hiburan di rumah kita seperti kaset video, dan dengan munculnya computer yang kini terjangkau oleh perorangan. Perubahan meliputi berbagai hal , bukan masalah teknis semata. Sebagai contoh lain, automobile tidak akan terwujud jika tidak adanya baja atau bahan lainnya.

Menurut para ilmuan prinsip dasar yang menentukan sifat material adalah struktur internal material itu sendiri . struktur internal itu sendiri tersusun oleh atom yang saling berkaitan dengan atom tetangganya (atom yang berada disebelahnya) baik itu dalam suatu kristal, molekul ataupun mikrostruktur. Akan tetapi walaupun sudah ada standar baku yang mengatur akan kandungan bahan-bahan pembentuk yang akan membangun sifat material , namun keahlian untuk menentukan berdasarkan metode-metode pengujian material sangatlah penting bagi seorang material engineer.

Oleh karena itu Material dapat dibedakan berdasarkan sifat-sifatnya, karena sifat (properti)  adalah ciri-ciri yang ada pada suatu material yang berkaitan dengan jenis besarnya respon yang diberikan jika suatu material diberikan suatu stimulus (rangsangan). Secara umum sifat suatu material tidak bergantung terhadap bentuk dan ukuran metarial tersebut. Sifat-sifat suatu material dapat dikelompokkan menjadi 7 katagori yaitu sifat yakni mekanik, listrik, termal, magnetik, optik, deteriorative (sifat yang menyebabkan suatu material menjadi buruk), dan storage / memory. Untuk mesing-masing sifat tersebut terdapat stimulus khusus yang dapat menimbulkan respon yang berbeda.

• Sifat mekanik berkaitan dengan perubahan bentuk karena adanya pemberian beban atau gaya, contohnya meliputi modulus elastisitas dan kekuatan (strength), Keuletan (Ductile), Kekakuan (Stiffness), Ketangguhan (Toughness), Kekerasan (Hardness). Kekuatan adalah kemampuan suatu material dalam menerima beban, semakin besar beban yang mampu diterima oleh material maka benda tersebut dapat dikatakan memiliki kekuatan yang tinggi. Kekerasan dapat diartikan ketahan suatu material terhadap deformasi lokal, misalkan ketahanan terhadap goresan. Bila suatu material digores maka yang akan menerima beban adalah bagian permukaannya saja bukan keseluruhannya, itulah mengapa goresan dikatakan hanya menghasilkan deformasi lokal. Selanjutnya sifat kekakuan dari suatu material dapat diartikan ketidakmapuan suatu material untuk berdeformasi plastis. Material yang kaku berarti bila diberi suatu beban dia hanya akan berdeformasi elastis, dan selanjutnya akan mengalami patah (fracture). Mengetahui tentang sifat mekanik suatu material sangatlah penting terutama dalam pemilihan material yang akan dipakai dalam kehidupan sehari-hari. Misalkan kita disuruh memilih jenis baja yang akan digunakan untuk membuat jembatan, maka hal terpenting yang harus kita perhatikan adalah bahan yang kita pilih haruslah kuat, dalam arti dia tidak akan mudah mengalami deformasi plastis. Bayangkan saja bagaimana bila kita salah memilih bahan, tentunya nanti jembatan yang kita buat akan memiliki lintasan melengkung seperti lintasan skateboard, tentunya hal ini bukanlah hal yang lucu.
• Sifat kelistrikan berkaitan dengan konduktivitas listrik, resistivitas listrik dan konstanta dielektrik yang diperoleh dengan memberikan stimulus berupa medan listrik.
• Sifat panas (thermal) berkaitan dengan kapasitas panas dan konduktivitas termal yang diperoleh dengan memberikan stimulus berupa panas.
• Sifat Magnetik menggambarkan respon suatu material terhadap medan magnet yang biasanya direpresentasikan dengan menggunakan kurva Hysterisis.
• Sifat Optik menggambarkan bagaimana respon suatu material terhadap medan elektromagnetik atau radiasi cahaya. Sifat optik ini direpresentasikan dalam indek refraksi dan refleksi.
• Sifat Deteriorative mengindikasikan kereaktifan secara kimia dari suatu material.
• Sifat storage / memory merupakan sifat dari material yang muncul akibat dari perkembangan teknologi yang akhir-akhir ini terasa dampaknya yang besar. Aplikasi dalam hal Storage / Memory dari suatu material salah satunya adalah flashdisk, yang dimana saat ini dituntut agar bisa menyimpan data yang lebih besar dan besar lagi. Maka dari itu, diperlukanlah suatu material yang mampu menyimpan data berukuran besar di dalam volume yang seminimal mungkin.

Material diklasifiasikan menjadi beberapa tipe yang memiliki karakteristik yang sama. Material dapat dikelompokkan dengan berbagai cara, salah satunya didasarkan pada ikatan atom dan struktur. Berdasarkan cara ini material dapat diklasifikasikan menjadi logam, polimer, dan keramik. Sebagai penambahan, terdapat dua kelompok material yang cukup penting dalam rekayasa material yaitu komposit dan semikonduktor. Ditinjau dari segi struktur, terdapat jenis material tambahan yaitu material komposit. Apabila klasifikasi material ditinjau dari kemampuan konduktivitasnya maka akan terdapat tambahan golongan material semikonduktor. Selain itu ada pula biomaterial yang termasuk dalam material tingkat tinggi.

1.   Logam

Material – material dalam kelompok ini disusun oleh satu atau lebih unsur logam (misalnya besi, alumunium, tembaga, titanium, emas, dan nikel), dan juga seringkali mengandung unsur non logam (misalnya karbon, nitrogen dan oksigen) dalam jumlah yang relatif kecil. Atom – atom pada logam dan paduannya mempunyai ciri – ciri tersusun secara sangat teratur, dan apabila dibandingkan dengan keramik dan polimer susunan antar atom – atomnya cenderung lebih rapat. Karakteristik susunan antar atomnya yang khas ini, kemudian disebut sebagai ikatan logam. Material logam memiliki nilai elektron bebas yang tinggi, dimana berarti terdapat sejumlah besar elektron yang tidak terikat pada inti atom sehingga bisa bergerak bebas. Sifat – sifat dari material logam yang khas ini dapat dijelaskan melalui karakterisitik elektronnya tersebut. Yang paling utama, yaitu apabila diamati dari sifat logam yang merupakan penghantar listrik dan panas yang baik. Selain itu susunan atom material logam yang teratur  dan respon dari elektron bebas terhadap getaran elektromagnetik pada frekuensi cahaya membuatnya tidak mampu ditembus oleh cahaya sehingga tidak tembus pandang seperti halnya kaca. Permukaan material logam akan mengkilap apabila dipoles. Sebagai tambahan, beberapa jenis logam (Fe, Co, Ni) juga memiliki sifat magnetik yang kuat.
Mengenai sifat mekaniknya, material logam cenderung bersifat cukup kaku dan kuat, ulet (ductile = dapat mengalami deformasi atau perubahan bentuk tanpa mengalami patah) sehingga punya kemampuan mampu dibentuk (formability) yang baik (misalnya melalui penempaan, pengerolan, dll), dan mampu menerima pembebanan secara tiba – tiba tanpa mengalami patah (shock resistance). Sifat – sifat tersebut membuat logam mempunyai jangkauan aplikasi yang sangat luas dalam dunia industri hingga saat ini.

2.  Keramik

Keramik  adalah senyawa yang tersusun dari perpaduan antara unsur logam dan non logam yang kemudian membentuk suatu senyawa baru yang umumnya termasuk ke dalam jenis oxide, nitride, dan carbide. Sebagai contoh, beberapa keramik yang umumnya dikenal yaitu alumunium oksida (alumina atau Al2O3), silicon dioksida (silika atau SiO2), silicon karbida (SiC), silikon nitride (Si3N4). Sebagai tambahan, juga terdapat beberapa material keramik yang termasuk ke dalam kelompok keramik tradisional seperti mineral – mineral, lempung, semen pada beton, batu bata,isolator listrik, magnet permanen dan kaca. Grafit dan intan juga dimasukkan ke dalam kelompok keramik.
Keramik biasanya dihubungkan dengan istilah “ikatan campuran”-sebuah kombinasi dari ikatan kovalen, ionic, dan terkadang metalik. Terdiri dari deretan atom – atom yang saling berhubungan satu sama lain, dan tidak ada molekul yang terpisah. Karakteristik ini membedakan keramik dari padatan molekular, seperti kristal iodine (tersusun dari molekul I2 yang terpisah) dan paraffin wax (tersusun oleh rantai panjang molekul alkana). Selain itu es, dimana tersusun dari molekul terpisah H2O, juga termasuk ke dalam kelompok ini walaupun memiliki perilaku seperti keramik.

Secara tipikal material ini tahan terhadap listrik dan panas, dan lebih tahan terhadap temperatur tinggi dan lingkungan yang buruk dibandingkan dengan logam dan polimer. Selain itu keramik memiliki sifat keras, kaku , kuat namun mudah pecah.

3.      Polimer

Polimer merupakan molekul makro yang dibentuk oleh atom – atom yang terikat secara kovalen membentuk suatu satuan molekul yang disebut monomer, dan kemudian satuan molekul ini tersambung dengan kelompok – kelompok monomer sejenis yang lain, membentuk suatu rantai yang panjang dan berulang. Sebagian besar polimer merupakan senyawa organik berbasis karbon, hydrogen, dan unsur –unsur non logam lainnya seperti sulfur/belerang (S) dan klorin (Cl). Karakteristik Ikatan antar rantai molekul polimer sangat mempengaruhi karakteristiknya. Struktur cross linking (ikatan silang) dari rantai polimer merupakan kunci dari proses vulkanisasi yang dapat mengubah karet alam yang awalnya belum memiliki fungsi aplikasi menjadi produk yang berguna dalam kehidupan sehari – hari seperti misalnya ban mobil yang membuat bepergian dengan sepeda menjadi lebih nyaman. Istilah polimer dan plastik seringkali dipertukarkan. Padahal sebenarnya, plastik merupakan kombinasi dari polimer – polimer yang biasanya juga diberi bahan tambahan lain untuk memenuhi kemampuan dan penampilan yang diinginkan. Plastik merupakan pemantul cahaya yang kurang baik, dan cendrung bersifat transparan dan transluen. Polimer secara tipikal memiliki densitas yang rendah, sangat fleksibel, dan mudah dibentuk.

Berdasarkan sumbernya polimer dapat dibagi menjadi dua yakni polimer alami dan polimer sintetis . contoh dari polimer alami kayu, kulit binatang, kapas, karet alam dan rambut. Sedangkan polimer sintetis sendiri ada tiga macam yakni pertama terdapat secara alami contohnya nylon, poliester, polipropilen, polistiren. Kedua yang terdapat dialam tetapi dibuat oleh proses buatan contohnya karet sintetis. Ketiga Polimer alami yang dimodifikasi: seluloid, cellophane (bahan dasarnya dari selulosa tetapi telah mengalami modifikasi secara radikal sehingga kehilangan sifat-sifat kimia dan fisika asalnya)

Berdasakan jumlah rantai karbonnya polimer dibagi menjadi enam yakni

  1. 1 ~ 4 Gas (LPG, LNG)
  2. 5 ~ 11 Cair (bensin)
  3. 9 ~ 16 Cairan dengan viskositas rendah
  4. 16 ~ 25 Cairan dengan viskositas tinggi (oli, gemuk)
  5. 25 ~ 30 Padat (parafin, lilin)
  6. 1000 ~ 3000 Plastik (polistiren, polietilen, dll)

4.  Komposit

Bahan komposit (atau komposit) adalah suatu jenis bahan baru hasil rekayasa yang terdiri dari dua atau lebih bahan dimana sifat masing-masing bahan berbeda satu sama lainnya baik itu sifat kimia maupun fisikanya dan tetap terpisah dalam hasil akhir bahan tersebut (bahan komposit). Bahan komposit memiliki banyak keunggulan, diantaranya berat yang lebih ringan, kekuatan yang lebih tinggi, tahan korosi dan memiliki biaya perakitan yang lebih murah karena berkurangnya jumlah komponen dan baut-baut penyambung. Kekuatan tarik dari komposit serat karbon lebih tinggi daripada semua paduan logam. Semua itu menghasilkan berat pesawat yang lebih ringan, daya angkut yang lebih besar, hemat bahan bakar dan jarak tempuh yang lebih jauh.Terdapat cukup banyak material komposit yang terdiri lebih dari satu tipe material yang telah dibuat. Sebuah komposit dirancang untuk memperlihatkan kombinasi dari sifat/karakteristik terbaik dari masing-masing komponen material. Serat kaca (Fiberglass) merupakan salah satu contoh yang sangat umum, dimana serat gelas dilekatkan ke dalam material polimer. Fiber glass memiliki sifat kuat yang berasal dari kaca dan sifat lentur yang berasal dari polimer. Banyak sekali pengembangan material terbaru melibatkan material komposit. Salah satu contoh aplikasi bahan komposit yakni pada bidang optikal material.

Contoh lain dapat dilihat di “plastik” casing set televisi, sel-telepon dan sebagainya. Ini casing plastik biasanya material komposit terdiri dari matriks termoplastik seperti akrilonitril-butadiena-stirena (ABS) di mana kalsium karbonat kapur, bedak , kaca serat atau serat karbon telah ditambahkan untuk menambah kekuatan, massal, atau elektro-statis dispersi. Penambahan ini dapat disebut sebagai serat penguat, atau dispersan, tergantung pada tujuan mereka.

5.   Semikonduktor

Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang berada di antara insulator dan konduktor.Semikonduktor merupakan satu-satunya kelas material yang dibedakan berdasarkan sifatnya. Material ini biasanya didefinisikan sebagai material yang memiliki konduktivitas listrik pertengahan, antara konduktor yang baik dan insulator. Konduktivitasnya sangat tergantung dari banyak sedikitnya jumlah aatom pengotor/tambahan pada bahan yang mana hal inilah yang menjadi kunci pembuatan produk IC (integrated circuit). Sebuah semikonduktor bersifat sebagai insulator pada temperatur yang sangat rendah, namun pada temperatur ruangan besifat sebagai konduktor. Bahan semikonduksi yang sering digunakan adalah silikon, germanium, dan gallium arsenide.

Semikonduktor sangat berguna dalam bidang elektronik, karena konduktansinya yang dapat diubah-ubah dengan menyuntikkan materi lain (biasa disebut pendonor elektron). Salah satu alasan utama kegunaan semikonduktor dalam elektronik adalah sifat elektroniknya dapat diubah banyak dalam sebuah cara terkontrol dengan menambah sejumlah kecil ketidakmurnian. Ketidakmurnian ini disebut dopan.Doping sejumlah besar ke semikonduktor dapat meningkatkan konduktivitasnya dengan faktor lebih besar dari satu milyar.[rujukan?] Dalam sirkuit terpadu modern, misalnya, polycrystalline silicon didop-berat seringkali digunakan sebagai pengganti logam.

6.    Biomaterial

Biomaterial umumnya dapat diproduksi baik di alam atau disintesis di laboratorium menggunakan berbagai pendekatan kimia menggunakan komponen logam atau keramik. Biomaterial digunakan dalam komponen yang diimplan ke dalam tubuh manusia untuk menggantikan bagian tubuh yang rusak. Material ini tidak boleh menghasilkan zat beracun dan harus sesuai dengan jaringan tubuh.  Mereka sering digunakan dan / atau disesuaikan untuk aplikasi medis, dan dengan demikian terdiri dari seluruh atau bagian dari struktur hidup atau perangkat biomedis yang melakukan, menambah, atau mengganti fungsi alami. Fungsi tersebut dapat bersifat jinak, seperti yang digunakan untuk katup jantung , atau mungkin bioaktif dengan fungsionalitas yang lebih interaktif seperti hidroksi apatit- dilapisi implan pinggul . Biomaterial juga digunakan setiap hari di aplikasi gigi, operasi, dan pengiriman obat. EG Sebuah membangun dengan produk farmasi diresapi dapat ditempatkan ke dalam tubuh, yang memungkinkan pelepasan berkepanjangan obat selama jangka waktu. Sebuah biomaterial juga dapat menjadi autograft , allograft atau xenograft digunakan sebagai transplantasi bahan.

Bahan ilmuwan saat ini memberikan perhatian lebih dan lebih untuk kristalisasi proses anorganik dalam matriks yang sebagian besar organik dari senyawa alami. Proses ini biasanya umumnya terjadi pada suhu dan tekanan ambien. Menariknya, organisme penting melalui mana bentuk kristal mineral ini mampu secara konsisten menghasilkan struktur rumit yang kompleks. Memahami proses di mana organisme hidup mampu mengatur pertumbuhan kristal mineral seperti silika dapat menyebabkan kemajuan ilmiah yang signifikan dan teknik sintesis baru untuk bahan komposit nano – atau nanocomposites.

Uraian diatas merupakan beberapa material yang telah diklasifikasikan berdasarkan sifat-sifatnya. Ternyata seiring makin berkembang pesatnya kebutuhan akan material dan penilitian oleh para ilmuan untuk memenuhi kebutuhan manusia maka ada juga material masa depan yakni nanoengineered material. Nanoengineered material adalah pembuatan material baru yang dilakukan dari level atomik dengan memanipulasi dan memindahkan atom dan molekul untuk membentuk struktur baru. Kata depan “nano” menandai bahwa dimensi dari besaran struktur ini berorde nanometer. Contohnya carbon nanotubes.

Ilmu material sangat penting untuk dipelajari mengingat kegunaan material dan kebutuhan akan material yang semakin berkembang pesat agar tak salah nantinya dalam menentukan material apa yang kita butuhkan. Selain itu dengan memplajari ilmu material kita juga dapat menciptakan inofasi-inofasi baru untuk menghadapi masalah pada lingkungan kita, seperti misalnya  pada alat transportasi dibutuhkan material yang meningkatkan efesiensi bahan bakar, kuat , densitas rendah, dan memiliki kemampuan bekerja pada temperatur tinggi. Tanpa mempelajari ilmu material tentunya kita takdapat melakukannya .

2 Comments Add yours

  1. panji mengatakan:

    materi tentang resistivitas bahan ada gak………????????????????

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s