Krista 01 Pendahuluan

 

01 Pendahuluan 1.1. Pengertian Kristalografi Kristalografi merupakan bidang ilmu yang mempelajari struktur suatu bahan dalam arti seluas-luasnya, baik keteraturan yang tampak secara eksternal ataupun secara mikroskopik. Dalam pengertian lebih luas, kristalografi adalah studi tentang kristal: bentuk, pertumbuhan, struktur, kimia, ikatan, dan sifat-sifat fisik.

Keteraturan sifat internal ini (pada level atomik) sangat mempengaruhi sifat-sifat mekanik, fisik dan kimia material. Pengetahuan mendalam mendalam tentang hal ini terus menerus diperlukan karena karena proses sintesa material baru selalu ada atau pemahaman material yang telah ada dapat dilakukan dengan  baik. Sifat-sifat fisik yang khas (seperti konduktivitas, resistivitas, daya hantar panas, sifat kemagnetitan) dari kristal berasal dari:   struktur   komposisi kimia   keadaan ikatan antar atom-atom

M. Hikam, Kristalografi: Pendahuluan

2

 

Dalam ilmu Material, kristal merupakan material solid yang memiliki atom-atom tersusun secara teratur dalam pola tiga dimensi.

  Pola ini disebut struktur kristal yang dapat dijelaskan dari susunan geometri sejumlah kecil atom yang membentuk sel satuan ( unit cell).

Sel satuan berulang secara terus menerus dan reguler membentuk kristal. Beberapa kristal memiliki struktur sederhana dan hanya memiliki satu atau beberapa atom  per-sel satuan seperti tembaga metal (Cu) dan garam dapur (NaCl). Lainnya berstruktur kompleks seperti protein atau terdiri dari  banyak atom seperti tourmaline (complex boron and aluminum silicate minerals).

Keteraturan kristalografik internal ini terkadang tidak tampak dari luar (makroskopis). Oleh karena itu pengertian kristal secara saintifik jauh lebih umum dibandingkan dalam pengertian sehari-hari. Disini biasanya kristal dikaitkan dengan hal-hal yang berkilauan dan indah seperti lampu kristal, batu-batuan berharga, dan hasil tambang mineral tertentu. Berbagai contoh kristal dalam ilmu Material:   Setiap objek metal terbentuk dari satu atau beberapa kristal kecil, terlalu kecil untuk dilihat tanpa mikroskop. M. Hikam, Kristalografi: Pendahuluan

3

 

             

   

Hampir semua pot dan keramik terbuat dari kristal Hampir semua batuan alam (rock) adalah kristal yang dikenal dengan mineral  hampir keseluruhan padatan bumi adalah kristalin Gula, garam dan baking soda juga kristalin Gigi juga kristalin Kristal gypsum membuat dinding rata Kristal kuarsa berguna untuk jam tangan Kristal hematite dalam tape plastik berguna untuk merekam merekam film pada alat kaset video Kristal luminesens membuat layar TV menyala Lapisan kristal silikon membuat chips komputer

1.2. Perkembangan Kristalografi

Dapat dipahami bahwa kristal dengan simetri eksternal merupakan benda yang pertama diamati dalam bidang ini. Tercatat Nicolaus Steno pada tahun 1669 mulai mengamati mengamati  penumbuhan kristal. 250 tahun kemudian penelitian Steno diteruskan oleh Hauy, Wollaston, Bravais, Miller, Schoenflies dll. yang mengembangkan kristalografi berdasarkan observasi dan teori matematik tentang pola. Tanpa mengetahui unsur dasar pembangun (saat ini kita kenal sebagai atom) mereka mampu mengklasifikasi kristal ke dalam:   230 grup ruang   32 klas kristal   7 sistem kristal Mereka mampu membuat klasifikasi ini hanya berdasarkan simetri dari struktur kristal.

Suatu obyek atau pola memiliki simetri bila benda tersebut tidak berubah dengan operasi rotasi atau refleksi. Hanya beberapa sudut rotasi simetri yang mungkin yakni 60o, 90o, 120o, 180o dan 360o.

M. Hikam, Kristalografi: Pendahuluan

4

 

Kombinasi operasi rotasi dan simetri berjumlah terbatas, hal ini menghasilkan 32 klas kristal dan 7 sistem kristal yakni: Kubus, heksagonal, tetragonal, trigonal, ortorombik, monoklinik, dan triklinik (Detail pada bab berikutnya). Dengan menambah simetri translasi akan diperoleh 230 space group. Dalam kasus tertentu tampak luar kristal mampu menunjukkan struktur internal. Pada kasus lain beberapa test cahaya, listrik, tekanan, suara etc. dapat juga mengungkapkan struktur internal.

Pengetahuan tentang space group dapat diperoleh dari difraksi sinar-x. Eksperimen pertama untuk mengungkap struktur kristal dengan sinar-x dilakukan oleh Max von Laue pada 1912. William H. Bragg dan anaknya menggunakan XRD di 1913 untuk menentukan struktur kristal garam dapur (NaCl) yang pertama kali. 1.3. Kristalografi Modern

Pada saat ini para ahli kristalografi terus menggunakan difraksi sinar-x (XRD) dan teknik sinar-x lainnya untuk menentukan dan mengerti struktur kristal. Tentu saja pengguna XRD bukan hanya kristalografer tetapi juga:   material saintis   kimiawan   metalurgis   fisikawan    bahkan para “life scientists” seperti biologis, dokter medis dll.   demikian pula di industri Eksperimen difraksi pada saat ini:   menggunakan difraktometer yang dikontrol oleh komputer   memanfaatkan software canggih untuk analisis data Informasi tentang intensitas dan posisi sinar terdifraksi dapat digunakan untuk menghitung menghitung  peta tiga dimensi dari kerapatan elektron.

M. Hikam, Kristalografi: Pendahuluan

5

 

 

 I

2θ Studi pada tekanan atau suhu tinggi digunakan untuk mempelajari bagaimana struktur kristal  berubah ketika sistem dipanaskan atau dalam stress. X-ray diffraction (XRD) –pada umumnya metode bubuk– dimanfaatkan secara reguler untuk: kontrol kualitas pada industri metal dan keramik identifikasi mineral bagi para ahli geologi, dan untuk   karakterisasi asbestos bagi ilmuan kesehatan    

Saintis juga terus-menerus mencari suatu metode baru untuk mempelajari kristal. Pada tahun 1960an transmission electron microscopes (TEM) dikembangkan dikembangkan sehingga memungkinkan memungkinkan studi difraksi elektron oleh kristal. Lebih lanjut bayangan TEM dari kristal yang sangat tipis menunjukkan secara visual beberapa cacat dalam pola-pola kristal seperti kehilangan atom (vakansi) dan kesalahan lapisan (dislokasi). Scanning tunneling microscopy (STM), developed in the 1980s, uses a very -fine-tipped tungsten stylus to map the atomic topography of crystal surfaces. Because crystals interact with their surroundings across their surfaces, STM studies are  providing important information about about crystal growth and dissolution as well as adsorption of substances onto crystal surfaces. Research biologists trying to identify and characterize important molecules in plants and animals commonly attempt to concentrate and crystallize the molecules. If this can be done, their structure can be determined by X-ray diffraction. For instance, X-ray studies of DNA crystals by Rosalind Franklin (1920-58) and others led James D. Watson and Francis Crick to propose the double helix structure of the DNA molecule in 1952. Since then the structures of many other important organic molecules have been determined in this way. A great many molecular biologists and organic chemists are therefore crystallographers or make use of crystallographic data.

M. Hikam, Kristalografi: Pendahuluan

6

 

1.4. Penumbuhan Kristal Penumbuhan kristal  bisnis besar  so finding ways to grow them with desired properties is a major area of scientific research. Beberapa contoh:   Perfecting the growth of large single crystals of pure quartz (SiO 2) was stimulated by World War II when quartz crystals, which exhibit piezoelectricity, were in demand for radio oscillators.   In 1955 the General Electric Company patented a process, requiring tremendous  pressures, for growing industrial-grade diamond (C) crystals, the hardest of solids. The mass of diamonds grown today exceeds the mass produced by mining.   Rubies (red Al2O3), sapphires (blue Al 2O3), and cubic zirconia (ZrO2) are among the many crystals grown for jewelry.   Silicon (Si) crystals for integrated circuits are grown under the most exacting conditions so as to meet the needs of the computer industry. The method of crystal growth varies with the material and the application, but it is rarely as simple as the saturated-solution recipe used to grow sugar crystals for rock candy. In most cases, the desired crystals are grown through the addition of atoms from a liquid or vapor to a "seed crystal" that acts as a template and catalyst. The so-called Czochralski method involves slowly rotating the seed crystal and pulling it from a melt. In zone refining, crystals are regrown and modified by moving a solid through a furnace. Layered crystals made of semiconductors such as gallium arsenide are grown by vapor deposition or by molecular beam epitaxy under a high vacuum. 1.5. Bidang-bidang yang Berkaitan dengan Kristalografi

Clearly, crystals and crystallography are at the center of considerable academic and industrial research today. There are several related topics of current interest, as well. Among them are:   The quasicrystals, solids with 5-fold rotation axes that cannot have a structure that includes repetition of a unit cell.   Liquid crystals are liquids that have long-range order in one or two dimensions but not three; they are used in liquid crystal displays (LCDs) in watches and other devices.   Crystal whiskers--needlelike crystals of substances such as silicon or carbon--add strength to special composite materials.   Crystal spectroscopy is an enormous field of study involving many techniques that  provide information about atoms and bonding bonding in crystals. •

•

•

•

M. Hikam, Kristalografi: Pendahuluan

7