Phase Diagrams for Metal and Alloy

The mechanical properties of materials depend strongly upon microstructure and the development of microstructure of an alloy is related to the characteristics of its phase diagram. Therefore, the understanding of phase diagrams for alloy systems is very important. Phase diagram is very useful to represent the most stable relationships between phases in alloy systems. In addition, phase diagrams provide valuable information about melting, casting, crystallization, and other phenomena.

Before interpret and utilize phase diagram, it is necessary to understand component, system and phase. Components are pure metals and/or compounds of which an alloy is composed. For example, in a copper–zinc brass, the components are Cu and Zn. System may refer to a specific body of material under consideration (e.g., a ladle of molten steel). Or it may relate to the series of possible alloys consisting of the same components, but without regard to alloy composition (e.g., the iron–carbon system). Phase may be defined as a homogeneous portion of a system that has uniform physical and chemical characteristics. Every pure material is considered to be a phase; so also is every solid, liquid, and gaseous solution.

Unary System
Perhaps the simplest and easiest type of phase diagram to understand is that for a one-component system. In a one-component system, or unary system, however, the composition does not vary, but must always be unity. Therefore there are only two variables which can vary: pressure and temperature. Every possible combination of temperature and pressure can be readily represented by points on a two-dimensional diagram. Three phases (solid-, liquid, and vapor-phase) are found on this type of phase diagram.

 (www.teachersparadise.com)

Binary System
Another type of common phase diagram is that for two components or binary system. Binary phase diagrams represent the relationships between temperature and the compositions of phases at equilibrium at constant external pressure. Areas, or phase regions, are defined on these temperature-versus-composition plots within which either one or two phases exist. For an alloy of specified composition and at a known temperature, the phases present, their compositions, and relative amounts under equilibrium conditions may be determined.

Binary Systems without Solid Solution
Consider a system of two components, A and B, which are completely soluble in one another in the liquid state, but completely insoluble in one another in the solid state. The melting point of a liquid is normally depressed if the liquid contains some other substance in solution.

Binary Systems with Total Solid Solubility (Binary Isomorphous Systems)
It is possible for solids to form a solution. Solid solution means that the solute component enters and becomes a part of the crystalline solvent, without altering its basic structure. Solid solutions with complete solid solubility, i.e., solid solubility over the entire range of the composition, are possible to form. For a metallic binary solution to exhibit a complete solid solubility, for instance, both metals must have the same type of crystal structure, nearly identical atomic radii and electronegativities, and similar valences because it must be possible to replace all the atoms of the initial solvent with solute atoms without causing a change in crystal structure. The copper–nickel system displays this behavior. The copper–nickel system is termed isomorphous because of this complete liquid and solid solubility of the two components. The phase diagram shapes are as shown below:

(source: www.soton.ac.uk)

Three different phase regions, or fields, appear on the diagram, an alpha (α) field, a liquid (L) field, and a two-phase field. The liquid L is a homogeneous liquid solution composed of both A and B. The α-phase is a substitutional solid solution consisting of both A and B atoms. At temperatures below about A and B are mutually soluble in each other in the solid state for all compositions.

Binary Systems with Partial Solid Solubility (Binary Eutectic System)
In many cases, atom size, crystal structure or other factors restrict the ease with which solute atoms can be dissolved in the solvent in the solid state. Thus it is much more common to find that solids are partly soluble in one another rather than be either completely soluble or completely insoluble. The copper–silver system displays this behavior. The following is a binary system which shows partial solid solubility:

(source: www.soton.ac.uk)

Three single-phase regions are found on the diagram: α, β, and liquid. The α-phase is a solid solution rich in A atom; it has B atom as the solute component. Otherwise in β-phase solid solution, A is the solute. Pure A and pure B are also considered to be α- and β-phases, respectively.
There are also three two-phase regions found for the system: The α+L, β+L and α+β. The α– and β-phase solid solutions coexist for all compositions and temperatures within the α+β phase field; the α+liquid and β++liquid phases also coexist in their respective phase regions.

References:
Callister, W.D. 2007. Materials science and engineering : an introduction 7ed
Lee, H.G. 2000.  Chemical Thermodynamics for Metals And Materials

Read More

Bioceramics And Their Applications

1. Hydroxyapatite (HA)
1.1. Introduction

Hydroxyapatite (HA) is a member of the apatite group of ceramics. The term “apatite” is derived from the Greek apatê, which means deceit or deception. It was called such for its diversity of form and color.

1.2. Source

There are two sources of apatite: one biological and the other from mineral deposits, such as phosphate rock or phosphorite, a sedimentary rock the essential mineral components of which is carbonate fluoroapatite. Bone and teeth contain a HA-like mineral component that supports the majority of load in vivo. Deorganized bone and some sea corals (porites) are used to make implants.

1.3. Properties

The (bio)chemical and mechanical properties of HA are similar to those of bone and teeth. Their molecular structures are also similar, although the exact nature of the composite, the minerals and proteins, and their interactions are not fully understood.

1.3.1. Mechanical Properties

There is a wide variation in the reported mechanical properties of HA. Jarcho2)reported that fully densified polycrystalline specimens of HA synthesized by themhad average compressive and tensile strengths of 917 and 196 MPa, respectively.Kato2) noted a compressive strength of 3000 kg/cm2 (294 MPa), a bending strength of1500 kg/cm2 (147 MPa), and a Vickers hardness of 350 kg/mm2 (3.43 GPa).

1.3.2. Chemical Properties

Hydroxyapatite is considered bioactive, indicating that the ceramic may undergo ionization in vivo and that the rate of dissolution may depend on many factors — includeing degree of crystallinity, crystallite size, processing condition (temperature,pressure, and partial water pressure), and porosity. Hydroxyapatite is soluble in anacidic solution while insoluble in an alkaline one and slightly soluble in distilled water. The solubility of sintered HA is very low. The rate of solubility is 0.1 mg/yearin subcutaneous tissue. Hydroxyapatite reacts actively with proteins, lipids, and otherinorganic and organic species.

1.3.3. Biological properties
1.3.3.1. In vitro cell response

Substituted HA or HAP showed the following cell response: (a) carbonate-substituted apatite stimulate greater activity of osteoclasts compared with carbonate-free HAP or FAP or F-treated dentin (b) stimulation of proliferation and phenotypic expression of F-containing HAP or Ftreated bovine bone (c) difference in response between odontoblasts and osteoblasts

1.3.3.2. Tissue response

HA have bioactivity proerties, ability of the material to directly ‘bond’ to bone through chemical interaction and not physical or mechanical attachment. HA also have osteoconductive properties – an ability to serve as a scaffold or template to guide the newly forming bone along its surfaces.

1.4. Applications
1.4.1. HA as abrasive

HA or apatitic abrasive (biphasic calcium phosphate) has gained popularity as the abrasive of choice for orthopedic and dental implant. Implant surface gritblasted with HA or apatitic abrasive was shown to be cleaner (free of inclusions) compared with alumina [31] and appear to promote higher bone contact.

1.4.2. Bone graft materials and scaffolds

Dental applications of HA materials include: implants as immediate tooth root replacement, alveolar ridge augmentation , pulp capping , periodontal defects, bone regeneration with guided tissue regeneration membrane ; alveolar distraction osteogenesis, peri-implantitis defects, reconstruction of severely atrophic human maxillae and sinus lifts. Medical applications include: repair of bone defects, chin augmentation, ear implant by itself, or as a composite with high molecular weight polyethylene, spine cage, tibial osteotomy in patients with osteoarthritis, and as a percutanous device. HA or HAP is also used as component of calcium phosphate cement, CPC .

1.4.3. Implant coatings

In spite of the many good qualities of HA and related calcium phosphates (e.g. B-TCP) such as bioactivity and osteoconductivity, they cannot be used in load-bearing areas because of their low fracture strength. On the other hand, metal implants, primarily titanium (Ti) or Ti alloy, are not bioactive and therefore do not bond directly to bone.

1.4.4. Drug delivery and other applications

HA ceramic is used as gene carrier or transfection agents , for drug delivery such as delivery of anticancer drugs or bisphosphonate, or as scaffolds for bone regeneration by tissue engineering.

2. Tricalcium Phosphate (TCP)
2.1. Introduction

The term biphasic calcium phosphate (BCP) was first used by Ellinger et al. to describe the bioceramic previously described as ‘tricalcium phosphate’ but was shown by LeGeros in 1986 using X-ray diffraction (XRD) to consist of a mixture of 80% HA and 20% B-TCP.

2.2. Fabrication

Biphasic calcium phosphate (BCP), or intimate mixtures of HA and B-TCP, is obtained when synthetic calcium-deficient apatites (CDAs) are sintered above 900 °C [11,26,29] according to the following reaction:

2.3. Properties
2.3.1. Physicochemical properties

Since B-TCP has a higher solubility than HA, the extent of dissolution of BCP ceramic of comparable macroporosity and particle size will depend on the HA/B-TCP ratio: the higher the ratio, the lower the extent of dissolution. This phenomenon may be caused by processing variables (sintering time and temperature).

2.3.2. Mechanical properties

BCP ceramic prepared from a single calcium-deficient apatite phase was reported to exhibit higher compressive strength (2–12 MPa) compared with BCP ceramic prepared by mixing two unsintered calcium phosphate preparations (2 MPa): one that after sintering at 1200 °C resulted in only HA and the other that resulted in only B-TCP [48]. The initial mechanical property is not the best criterion for efficacy of bone ingrowth.

2.3.3. Bioactivity and osteogenic properties
Bioceramics (calcium phosphates, bioactive glass) do not usually have osteoinductive property. However, several reports indicated osteoinductive properties of some calcium phosphate bioceramics such as those reported for coralline HA (derived from coral) or observed in some studies using BCP.
2.4. Applications
2.4.1. Applications in dentistry

Dental applications of BCP include prevention of bone loss after tooth extraction, repair of periodontal defects and sinus lift augmentation.

2.4.2. Applications in orthopedics
Micromacroporous biphasic calcium phosphate bioceramics are largely used in orthopedics and effi cacy has been demonstrated in numerous preclinical and clinical studies, for example using specific shaped blocks (custom-designed) for spine arthrodesis (cage insert) and wedges for tibial valgization osteotomy of valgization.

3. Alumina (Al2O3)
3.1. Introduction

Aluminium oxide (Al2O3), more commonly known as alumina, is the most widely used oxide ceramic material. Bauxite (hydrated aluminum oxide) and native corundum (aluminum oxide mineral) are the main sources of high-purity alumina. As a raw material, Al2O3 powder is produced in large quantities from the mineral bauxite, by the Bayer process. Bayer process, which yields D-alumina. The Bayer process involves dissolution of crushed bauxite in sodium hydroxide (NaOH) solution under pressure at high temperatures (up to 300ºC) to form a supersaturated sodium aluminate solution.

3.2. Properties
3.2.1. Physical properties

Additives or impurities determine the colour of alumina, in addition to the sintering atmosphere, and by the interaction with ionising radiation. Alumina is generally white but can sometimes be pink (88% alumina) or brown (96% alumina). When chromium oxide (Cr2O3) is added, it reacts with Al2O3 to form a solid solution. The amount of chromium oxide added will determine whether the colour of alumina changes to pink or ruby. When medical-grade alumina is sintered in air together with the addition of magnesia, it will appear as ivory. Alumina turns white when it is sintered in reducing atmosphere or if it contains traces of silica.

3.2.2. Mechanical properties

Because of their strong bonding, alumina ceramics have very high melting or, more appropriately, dissociation temperatures, hence the production of alumina ceramics can only be achieved with high-temperature sintering. During the sintering process, powders are heated usually to two-thirds of their melting temperature. As shown earlier, during this densification particles bond together to form necks between the particles, which subsequently reduce the surface area and cause the powder to consolidate.

3.3. Applications

High-purity alumina bioceramics have been developed as an alternative to surgical metal alloys for total hip prosthesis and tooth implants. Their high hardness, low friction coefficient and the excellent corrosion resistance of alumina offer a very low wear rate at the articulating surfaces in orthopaedic applications. Alumina has the ability to be polished to a high surface finish. Other applications for alumina in orthopaedic and maxillofacial applications include porous coatings for femoral stems, alumina spacers employed specifically in revision surgery (Huckstep and Sherry, 1996), knee prostheses (see Fig. 10.4), and in the past as polycrystalline and single crystal forms in dental applications as tooth implants.

4. Zirconia (ZrO2)
4.1. Introduction

Zirconium oxides (zirconia) have been used for the purpose of fabricating implants. Some are called “fake diamond” or “cubic zirconia” since some zirconia single crystals can be of gem grade and made into jewels. Some of their mechanical properties are as good or better than those of alumina ceramics. They are highly biocompatible, like other ceramics, and can be made into such large implants as the femoral head of a hip joint replacement. Some of their drawbacks include the fact that they exhibit high density, low hardness, and phase transformations under stress in aqueous conditions, thus degrading their mechanical properties.

4.2. Source

Zircon (ZrSiO4) is the most commercially important zirconium mineral and is found mostly in the mineral baddeleyite. Zircon is a gold-colored silicate of zirconium, a mineral found in igneous and sedimentary rock and occurring in tetragonal crystals colored of many colors. The transparent varieties are usually deposited in beach sand, and are used as gems. Zircon is first chlorinated to form ZrCl4 in a fluidized bed reactor in the presence of petroleum coke. A second chlorination is required for highquality zirconium. Zirconium is precipitated with either hydroxides or sulfates, and then calcined to its oxide.

4.3. Properties
4.3.1. Physical Properties

Zirconia undergoes an allotropic phase transition from monoclinic to tetragonal at 1000~1200ºC, and from tetragonal to cubic at 2370ºC. The cubic-to-monoclinic and tetragonal

phase transition is diffusionless and accompanies a volume expansion of about 7%. The cubic structure of zirconia belongs to the group of fluorite (CaF2) structures.

4.3.2. Mechanical properties

The strength of the partially stabilized zirconia with yttrium oxide (Y–TZP) showed the highest flexural strength and fracture toughness. However, the Weibull modulus was lower than the yttrium magnesium oxide-stabilized zirconia (Y–Mg–PSZ). It is also interesting that the increased fracture toughness is due to a phase transformation caused by cessation of crack propagation.

4.4. Applications

Yttrium-stabilized zirconia has been used to fabricate the femoral head of total hip joint prostheses and has two advantages over alumina. One is the finer grain size and well-controlled microstructure with minimum residual porosity, resulting in a better tribological material than with alumina. The other is higher fracture strength and toughness due to the phase transformation toughening process. Approximately 20% of the prosthetic femoral heads manufactured in the world are made of ceramic, with a strongly growing market (i.e. more than 25% growth for the alumina–alumina coupling between 2002 and 2004). Up to the year 2000,approximately 40% of ceramic heads were zirconia and the remaining alumina.

5. Reference:
1) Kokubo, Tadashi. Bioceramics and their clinical applications. England : Woodhead Publishing.
2) Park, Joon. 2008. Bioceramics - Properties, Characterizations, and Applications. USA : Springer.

Read More

Solder Bebas Timbal

Solder merupakan paduan logam yang digunakan untuk menggabungkan dua atau lebih komponen. Komponen yang disatukan itu bisa berupa logam atau paduan logam lain. Solder digunakan secara ekstensif pada industri elektronik untuk menyatukan komponen secara fisik agar dapat menghantarkan sinyal listrik.

Solder bekerja dengan meleleh oleh adanya panas. Lelehan solder kemudian mengalir dan membuat kontak dengan komponen yang akan bergabung (yang tidak meleleh). Setelah pembekuan, solder membentuk ikatan fisik dengan semua komponen.

Sebelumnya, solder terbuat dari paduan Pb-Sn. Paduan ini murah dan mempunyai titik leleh rendah sehingga memungkinkan bekerja pada suhu dibawah titik leleh komponen yang akan disatukan. Solder Pb-Sn mempunyai komposisi 63 wt% Sn-37 wt % Pb. Menurut diagram fasa Pb-Sn, komposisi ini dekat dengan titik eutektik dan mempunyai temperatur leleh sekitar 183 oC. Temperatur ini adalah temperatur paling rendah yang bisa dicapai dengan keberadaan fasa liquid. Paduan ini kemudian dikenal sebagai solder Pb-Sn eutektik.

Namun sayangnya, timbal merupakan logam toksik dan mempunyai dampak lingkungan yang serius apabila lepas ke air tanah dari landfill atau ke udara jika masuk ke incinerator. Akibatnya, beberapa negara telah membatasi penggunaan timbal ini. Hal ini mendorong pengembangan solder bebas timbal yang masih mempunyai temperatur leleh rendah. Beberapa diantaranya adalah paduan terner (tersusun atas tiga logam) solder timah-perak-tembaga dan timah-perak-bismut. Komposisi beberapa solder bebas timbal disajikan pada tabel berikut.

Ada beberapa kesulitan menggunakan solder bebas timbal. Pertama adalah rendahnya rendahnya kemampuan alir dari solder sehingga kemampuan solder untuk menyatukan komponen secara elektrik berkurang. Kemampuan alir ini diketahui tidak dapat ditingkatkan dengan peningkatan temperatur. Kesulitan kedua adalah tingginya titik leleh. Secara umum titik leleh solder bebas timbal adalah 20 hingga 45 oC lebih tinggi daripada solder konvensional. Akibat dari temperatur tinggi adalah berkurangnya umur tip solder karena oksidasi atau erosi, karbonasi pada solder, dan percikan api. Penggunakan solder bebas timbal dikatakan dapat mengurangi umur tip hingga 4 kali.

Read More

Wake Up Feeling Better With Memory Foam Mattresses

the mattress industry is aging as the baby boom exploded. As we age, our muscle and joint pain seems more and more sleeping on the mattress, in fact, wrong speed and intensify the pain. In fact, the traditional coil spring mattress can be placed in remote locations in your body a lot of pressure. When you wake in the morning, which is very painful, can often feel stiff. Therefore, how to make your memory foam mattress as a teenager feeling?

This is an easy question to answer. Memory foam is a polyurethane pressure and temperature sensitive, depending on the compression weight. In fact, the shape of the mold from head to toe and support you. The advantage is that it puts no pressure on your joints, or pressure or isolated points, because your body is supported. When you wake in the morning you'll feel rested, some people claim to be pain. The number of physicians on the cause of arthritis recommended mattresses and memory foam pillows for their patients, who often have trouble sleeping because of pain in the joints.

density of the foam is that you must consider when buying memory foam mattresses and pillows. E is a measure of the density of the foam. If you prefer a little more of the mattress, it is recommended that the density of 5 pounds. This temperature higher density sensitive because it is heavier, takes longer to recover its shape once the bed. 4 lb density temperature sweet, but not sensitive, so give a little less than 5 pounds of support. Both are a good option, will be on all back to personal preference. Resources on both sides, if you believe your dreams will never become a new partner.

Memory foam supports your body weight and temperature combination. Foam adapts to the position of each person during sleep to ensure they are fully supported at all times. That's why you will feel the pain the next morning to stand in the morning free. If you suffer from back pain or neck, be sure to investigate the memory foam pillow. These blocks are specially designed to fit the head and neck to give their full support, and sleep pattern. Maintain alignment of the head during sleep also help relieve pain neck pain.

Read More

Green to Green

Walaupun daya yang dihasilkan oleh matahari jauh lebih besar daripada batubara, panel surya tidak sepenuhnya ramah lingkungan. Pembuatan panel surya membutuhkan energi yang tidak sedikit. Selain itu panel surya juga menghasilkan limbah elektronik (e-waste) dan produk samping toksik dari industri panel surya. Sekarang salah satu perusahaan Inggris berharap untuk mengurangi masalah ini dengan membuat pabrik pertama di dunia, yaitu pabrik panel surya dengan tenaga angin. Aku kagum tidak ada yang pernah melakukannya sebelumnya.

Menurut siaran pers dari pelopor energi hijau Ecotricity, pabrik panel surya G24i bertenaga angin di Wales merupakan pabrik pertama di dunia yang membuat panel surya menggunakan energi angin, sebuah konsep 'Green dari Green'. G24i membuat panel surya ringan dan fleksibel untuk mengisi ulang laptop, smartphone dan gadget lainnya. Pada akhir tahun, pembuatan panel ini akan didukung oleh kincir angin tinggi 120 meter dan akan menghasilkan listrik yang cukup untuk 1.700 rumah.

CEO Ecotricity, Dale Vince, yang mempunyai proyek mobil listrik Nemesis, mengatakan: "Kami membangun kincir angin ini untuk mensuplai energi untuk G24i, ini bukan hanya yang pertama di dunia untuk sedikit perbaikan masa depan dan untuk saya setidaknya salah satu yang sangat menarik - gagasan bahwa kita dapat memanfaatkan energi terbarukan dan menggunakannya untuk membuat perangkat yang memanfaatkan energi terbarukan. Namun demikian, gagasan pabrik panel surya bertenaga terbarukan merupakan langkah maju yang sangat simbolis. Aku heran itu tidak terjadi cepat (saya yakin pembaca akan mengingatkan kita jika telah ada yang memiliki!), Tapi aku akan sangat terkejut jika kita tidak melihat lebih banyak proyek serupa dibangun di tahun-tahun mendatang.

(http://www.treehugger.com/files/2010/10/solar-panels-wind-energy.php)

Read More

Galvanisasi Celup Panas (Hot Dipped galvanized)

Salah satu cara pelindungan korosi suatu logam adalah dengan galvanisasi. Galvanisasi merupakan proses pelapisan logam induk dengan logam lain dengan tujuan agar logam induk mempunyai ketahanan korosi yang lebih baik. Galvanisasi umumnya menggunakan logam yang memiliki titik cair yang lebih rendah . Galvanisasi bersama dengan electroplating, cladding, thermal spray, aluminizing dan sherardizing adalah metode-metode untuk melapiskan logam pada permukaan substrat (metallic coating).

Penggunaan metallic coating memiliki dua tujuan:
1.    Sebagai pelindung korosi
2.    Sebagai anoda korban

Galvanisasi baja biasanya digunakan seng atau aluminum. Pada proses galvanisasi celup panas baja dengan seng, awalnya baja dicelupkan dalam seng cair (450-475 oC). Pencelupan ini menyebabkan logam seng akan menempel pada logam induk (baja). Pembentukan intermetallic Fe dengan Zn dapat meningkatkan kekuatan lekat lapisan ini. Selain itu parameter lain yang menentukan pelekatan adalah tingkat kebersihan permukaan, temperatur, waktu, dan komposisi kimia logam induk dan pelapis. Umur pakai tergantung pada lingkungan dan ketebalan lapisan.

Galvanisasi celup panas mempunyai beberapa kelebihan dan kekurangan. Kelebihannya diantaranya memiliki umur panjang dan tidak memerlukan topcoat untuk lingkungan pH 5-10, dapat memproteksi bentuk struktur yang komplek dan rumit, serta sekali celup dapat melapisi permukaan luar dan dalam secara bersamaan. Kekurangannya diantaranya besar struktur yang akan dilapisi dibatasi dengan ukuran penampung, tidak baik untuk struktur yang selalu terendam serta tidak cocok struktur yang diaplikasikan untuk lingkungan pH <5 dan >10. Kalau akan dilakukan topcoating, permukaan yang porous harus ditutupi dengan sealer.

Urutan proses:
1.    Persiapan permukaan
Untuk mendapatkan gaya pelekatan yang baik, permukaan substrat harus bersih dari kontaminan seperti welding slag, mill scale, cat, oli, debu dan grease. Oli, debu dan grease dihilangkan dengan solven cleaning (SSPC SP 1), yaitu dengan mencelupkan ke dalam causatic panas. Karat, mill scale dan kontaminan organik dihilangkan dengan hot mineral acid pickling (SSPC SP 8).
2.    Fluxing
Merupakan pembersihan lapisan oksida dengan pencelupan ke dalam larutan preflux seperti zinc ammonium chloride pada temperatur 40-60 oC.
3.    Dipping
Proses ini adalah proses utama. Pencelupan pada logam cair dapat dilakukan selama 8 detik hingga 8 jam tergantung pada jenis logam dan ketebalan.
4.    Postdipping treatment
Setelah dilakukan pencelupan, logam yang telah dilapisi didinginkan dengan udara atau dicelupkan ke dalam air. Tampilan dapat diperbaiki dengan chromating atau phosphating.

Inspeksi hasil pelapisan dilakukan dengan mengukur ketebalan lapisan, uji adhesi, dan pengamatan penampakan akhir.

Read More

Cat yang Dapat Berubah Warna

Bagaimana seandainya cat rumah Anda dapat berubah warna pada kondisi tertentu? Misalkan pada cuaca dingin warna cat menjadi biru. Namun pada cuaca yang panas maka warna cat akan berubah menjadi merah. Kalau misal ada cat yang seperti ini maka tentunya rumah kita lebih tampak menarik.

Apakah perubahan warna cat terlihat aneh? Tapi ini adalah kenyataan. Teknologi cat yang dapat berubah warna berdasarkan kondisi lingkungan memang sesuatu yang masih baru dan akan terus dikembangkan. Kalau begitu apa yang menyebabkan perubahan warna? Tentunya harus ada penjelasan yang masuk akal untuk hal ini. Kalau tidak maka orang-orang yang menyukai hal mistis akan mengkaitkan dengan hal-hal gaib.

Sebenarnya rahasia utama teknologi ini ada pada pigmen atau zat warna yang digunakan. Perubahan warna yang terjadi bukan karena kualitas pigmen rendah sehingga pigmen akan rusak apabila terkena panas atau cahaya. Namun perbedaan warna ini disebabkan oleh perubahan struktur kimiawi pigmen yang dipicu oleh perubahan kondisi lingkungan. Tapi ingat, perubahan ini haruslah bersifat reversible. Artinya warna cat akan kembali seperti semula apabila kondisi kembali ke awalnya. Pada contoh di atas, warna cat rumah akan berubah kembali menjadi biru apabila musim dingin tiba.

Ada tiga jenis pigmen yang biasa digunakan dalam teknologi cat yang dapat berubah warna. Ketiga pigmen tersebut adalah pigmen photochromic, pigmen thermochromic dan pigmen electrochromic. Ketiga pigmen tersebut berbeda dalam hal kondisi lingkungan yang memicu perubahan warna. Pigmen photochromic sensitive terhadap cahaya. Pigmen photochromic akan berubah warna dari transparan menjadi berwarna ketika dikenai cahaya dan akan kembali menjadi transparan ketika cahaya dihalangi atau dihilangkan. Dengan menggabungkannya dengan pigmen lain maka perubahan warna yang terjadi adalah dari satu warna ke warna lainnya. Perubahan ini dapat terus menerus terjadi hingga ribuan kali tergantung pada aplikasi. Selain pada cat atau coating, pigmen ini juga digunakan pada lensa kaca mata, kosmetik dan mainan. Pigmen ini dapat digunakan pada jendela cerdas (smart window) yang dapat mengontrol intensitas dan spektrum cahaya yang masuk ke ruangan sehingga dapat mengontrol temperatur di dalam ruangan.

http://en.wikipedia.org/wiki/Photochromism

Berbeda dengan photochromic yang bekerja oleh pengaruh cahaya, cat dan coating thermochromic bekerja dengan adanya perubahan temperatur. Kalau cahaya dapat mengubah struktur ikatan pigmen, perubahan temperatur hanya dapat mengubah konformasi dari pigmen. Pada pigmen tertentu, perubahan ini juga menyebabkan perubahan warna.

(gambar diambil dari http://www.mutr.co.uk/images/SMARTCOLO.PDF)

Jenis pigmen yang ketiga adalah pigmen electrochromic. Pigmen ini digunakan pada cat yang dapat berubah warna dengan adanya arus listrik. Artinya arus listriklah yang mengubah warna pigmen. Arus listrik menciptakan kristal spesial pada permukaan yang dapat mengubah warna tergantung pada voltasenya. Pigmen ini hanya bekerja pada substrat yang terbuat dari logam karena diperluakan material konduktif untuk menghantarkan arus listrik. Ketika arus listrik dihilangkan dari cat maka warna akan kembali ke asalnya. Teknologi ini dapat menciptakan warna yang berbeda hanya dengan menekan tombol switch yang dihubungkan dengan arus listrik. Teknologi ini telah digunakan pada cat mobil. Apakah kamu ingin mengubah warna mobil kamu seperti mobil milik James Bond 007? Tinggal tekan satu tombol maka dalam mobil akan berubah warna.

Read More

Konduktivitas Polianilin

Material apabila dilihat dari konduktivitas listriknya digolongkan menjadi bahan isolator, semikonduktor dan konduktor. Bahan konduktor mudah menghantarkan arus listrik dengan konduktivitas di atas  10⁴ S/cm. Sebagai kebalikan bahan konduktor, bahan isolator sulit menghantarkan arus listrik. Konduktivitasnya berada di bawah 10^-8 S/cm. Bahan semikonduktor mempunyai konduktivitas di antara konduktor dan isolator. Nilai konduktivitasnya sangat tergantung pada kondisi lingkungan seperti temperatur. Pada temperatur tinggi, bahan semikonduktor dapat berubah menjadi bahan konduktor.

Polimer sebagai salah satu material yang banyak digunakan, juga mempunyai sifat yang bervariasi dari isolator hingga konduktor tergantung komposisi atom dan jenis ikatannya. Polimer dengan rangka yang mengandung ikatan π terkonjugasi memiliki sifat listrik yang unik karena kemampuannya untuk mentransfer muatan disepanjang rantai. Salah satu contoh polimer terkonjugasi adalah polianilin. Polianilin memiliki beberapa bentuk. Salah satunya dan merupakan bentuk yang paling stabil adalah emeraldin. Emeraldin atau basa emeraldin, berbentuk serbuk halus berwarna biru tua yang memiliki struktur sebagai berikut:

Menurut Stejskal dkk (2001), Emeraldin memiliki konduktivitas 10^-7 S/cm. Tingkat konduktivitas listrik emeraldin dapat ditingkatkan dengan melakukan penambahan dopan. Pereaksian emeraldin dengan HBr menyebabkan gugus –N= terprotonasi menjadi (–NH=)+Br-. Perubahan ini menyebabkan konduktivitas  listrik emeraldin naik menjadi 5 S/cm (Pinto, 1996). Stejskal dan Gilbert (2002) juga telah mempreparasi basa emeraldin dengan HCl menghasilkan suatu emeraldin terprotonasi HCl (garam emeraldin) dengan konduktivitas 4,4 ± 1,7 S/m. Reaksi emeraldin dengan HCl menghasilkan serbuk berwarna hijau tua.

Polimer konduktif polianilin jika ditinjau konduktivitas listriknya termasuk dalam bahan semikonduktor, dimana  konduktivitasnya berkisar antara 10^-9 sampai 10² S/cm. Konduktivitas polianilin tergantung pada temperatur. Konduktivitasnya akan meningkat dengan meningkatnya temperatur. Sebaliknya, konduktivitasnya akan menurun dengan menurunnya temperatur.

Polianilin termasuk polimer yang sangat sensitif terhadap kelembaban udara disekitarnya yang kemudian akan berpengaruh pada sifat listik polianilin. Dengan meningkatnya kelembaban udara, maka molekul-molekul polar air akan diabsorbsi oleh bahan polimer polianilin. Hal ini akan berpengaruh pada penurunan potensial barrier. Akibatnya resistansi pada bahan polimer polianilin akan mengalami penurunan.

Keberadaan air pada polimer polianilin ini menyebabkan delokalisasi muatan. Delokalisasi muatan terjadi dengan adanya pelarutan anion dopan. Bentuk oligomer pada polianilin juga berpengaruh pada delokalisasi muatan dimana terjadi interaksi yang kuat antara oligomer dan molekul polar air yang mengakibatkan muatan elektron berdelokalisasi sepanjang rantai polimer.

Read More

Mengenal Membran

Membran adalah lapis tipis, mempunyai stuktur planar dan merupakan material yang memisahkan dua lingkungan. Karena membran terletak diantara dua lingkungan atau dua fasa dan mempunyai volume yang terbatas, maka membran lebih layak disebut sebagai interphase daripada interface. Membran secara selektif mengontrol transport massa antara dua fasa atau lingkungan. Berdasarkan asalnya, membran dapat dibedakan menjadi membran biologi dan membran sintetik.

Membran Biologi merupakan membran yang terbentuk secara alami dan dapat ditemukan pada makhluk hidup. Sebagai contoh adalah membran sel dan membran intraseluler, serta membran mucous. Sedangkan membran sintetik adalah membran yang dibuat oleh manusia dengan tujuan tertentu. Membran sintetik banyak digunakan pada proses osmosis terbalik (reverse osmosis), filtrasi (mikrofiltrasi ataupun ultrafiltrasi), pervorasi, dialisis, elektrodialisis, membran emulsi liquid (Emulsion Liquid Membranes), ekstraksi pelarut, reaktor, dan pada pemisahan gas.

Membran sintetik merupakan membran yang dibuat dengan tujuan untuk proses pemisahan di laboratorium dan industri. Bagian yang aktif, yang hanya membolehkan transport material tertentu, biasanya tersusun atas polimer atau keramik, dan sedikit diantaranya berupa gelas atau logam. Suatu membran dapat mengandung bagian tambahan seperti pendukung mekanik, pengering, patch, dll.

Driving force dari transport material ditentukan oleh konsentrasi, tekanan, gradien elektrik atau gradien kimia sepanjang membran. Membran dapat dibuat dalam bentuk lembar datar, tabung, fiber kapiler dan fiber berlubang (hollow fiber). Sistem membran dapat berupa pelat dan kerangka, spiral wound module, hollow fibre module, serta tube-in-shell module.

Membran dapat membentuk suatu polymeric interphases yang secara selektif hanya mengijinkan spesies kimia tertentu untuk melewatinya. Ada beberapa mekanisme yang dapat dijelaskan pada fungsi ini. Difusi Knudsen atau difusi larutan merupakan mekanisme yang menonjol. Membran polimerik sangat penting pada proses pemisahan gas, misalnya pemisahan oksigen dan nitrogen, penghilangan senyawa organik, dan pemurnian gas alam.

Membran biologi atau biomembran adalah membran yang berfungsi sebagai pelindung sel. Sering kali berupa lipid bilayer (kecuali pada Archea yang mana mempunyai membran isoprena), yang tersusun atas lapisan ganda dari kelas molekul lipid, khususnya fosfolipid, kadang jalinan protein, beberapa diantaranya berfungsi sebagai saluran. Membran melingkupi suatu ruang tertutup atau kompartemen yang bagian dalamnya dapat tersusun atas lingkungan kimia atau biokimia yang berbeda dengan  lingkungan luarnya. Sebagai contoh, membran disekitar peroksisom melindungi sel dari peroksida dan membran plasma memisahkan sel dari lingkungan medium di sekitarnya. Kebanyakan organel mempunyai sistem membran dan disebut sebagai organel terbungkus membran.

Banyak biomembran yang tercirikan oleh adalah struktur selektif permeabel. Artinya, ukuran, muatan dan sifat kimia lain dari atom dan molekul yang mencoba untuk melewati membran menentukan keberhasilannya. Selektif permeabel sangat diperlukan untuk pemisahan efektif dari sel atau organel dari lingkungan sekitarnya. Jika partikel terlalu besar maka tidak dapat menembus membran, akan tetapi partikel tersebut diperlukan oleh sel maka partikel tersebut dapat melewati suatu protein channel yang disebut sebagai endositosis.

Read More