Kristal Material (Tatanan Atomik)

Publish in www.wahyukurniawan.com Mechanical Engineering

Material Teknik | Create By Wahyu Kurniawan 1

KRISTAL MATERIAL (TATANAN ATOMIC)

Bagian 1 PENDAHULUAN

Dalam menelaah pola tatanan atomik rentang-panjang, untuk padatan kristalin, sel satuan dibentuk secara berulang dalam ketiga dimensi. Setiap sel satuan memiliki semua karakteristik geometrik yang dimiliki oleh kristal keseluruhan. Secara khusus susunan atomik pada beberapa struktur sederhana dapat dibedakan seperti bcc = body-centered cubic/kubik pemusatan ruang, fcc = face-centered cubic/kubik pemusatan-sisi, dan hcp = hexagonal close-packed/tumpukan padat heksagonal dan dibuktikan keberadaannya dengan cara melakukan perhitungan densitas. Dalam menelaah perlu dipahami notasi-notasi yang digunakan untuk lokasi-lokasi sel satuan, arah kristal, dan bidang kristal, karena selanjutnya notasi-notasi ini akan digunakan untuk mengaitkan struktur kristal dengan sifat dan perilaku material.

Pada bab ini akan dijelaskan tentang : Bagian I : Fasa kristalin (kristal, system kristal, kisi kristal). Bagian II : Struktur kubik Bagian III : Struktur non kubik Bagian IV : Polimorfisme dan geometri sel satuan Bagian V : arah kristal, bidang aksial (indeks miller), dan difraksi sinar x.

1. FASA KRISTALIN

Dalam konteks rekayasa material, fasa adalah bagian dari suatu material yang berbeda dengan bagian-bagian lainnya dalam hal struktur atau komposisi. Perhatikan "es-air". Meskipun keduanya memiliki komposisi yang sama, air adalah cairan yang fluid sedangkan es adalah padatan yang kristalin. Batas fasa antara keduanya menunjukkan adanya diskontinuitas pada strukturnya; keduanya merupakan fasa yang berbeda. Demikian pula halnya, baik garam biasa maupun garam laut, kedua-duanya mengandung NaC1 tetapi keduanya merupakan fasa yang berbeda—diskontinuitas pada batas yang mereka miliki menandakan adanya perubahan baik dalam hal komposisi maupun struktur. Sekarang perhatikan suatu kombinasi 50-50 antara air dan alkohol; keduanya dapat saling melarutkan (soluble) atau saling tercampur (miscible), sehingga hanya ada satu fasa. Akan tetapi, suatu campuran 50-50 antara air dan minyak tidak saling tercampur (immiscible); pasangan yang disebut belakangan terdiri dari dua fasa yang berbeda dengan diskontinuitas komposisional pada batas fasanya.



KRISTAL Pada hakekatnya semua logam, sebagian besar material keramik, dan beberapa

polimer tertentu berkristalisasi ketika memadat. Fasa kristalin memiliki satu karakteristik yang lebih mendasar lagi, yang harus ditelaah jika ingin memahami struktur internal dari logam dan material-material lain.

Kristal mempunyai periodisitas sehingga menghasilkan tatanan rentang-panjang (long-range order). Maksudnya adalah susunan atomik lokalnya berulang dengan interval yang teratur jutaan kali dalam ketiga dimensi ruang.

Tatanan yang dijumpai pada kristal dapat digambarkan sebagian dengan menggunakan koordinasi-koordinasi atomik yang sketsanya diperlihatkan pada Gambar 1 dibawah :

Gambar 1

1. Setiap ion Na+ hanya memiliki ion- ion Cl- sebagai tetangga terdekat, dan

setiap ion Cl- hanya memiliki ion- ion Na+ sebagai tetangga terdekat; 2. Jarak antara tetangga-tetangga terdekat pada NaC1 sudah tetap dengan kata

lain, (rNa+ + RD) selalu sama dengan 0,097 nm ditambah 0,181 nm, atau 0,278 nm;

3. Tetangga-tetangga dari setiap ion individual selalu ditemukan pada arah yang identik, begitu juga tetangga untuk ion-ion lain yang serupa.

Meskipun semua hubungan lokal ini penting, yang lebih penting lagi adalah

bahwa salah satu perpanjangan dari koordinasi-koordinasi atomik (atau ionik) dalam tiga dimensi ini menghasilkan periodisitas rentang-panjang yang khas. Perpanjangan ini ditunjukkan dengan sketsa garis dan titik pada gambar 1 tersebut yang menggambarkan ekstrapolasi yang tak terbatas. Atom (atau ion) dan suatu volume berukuran kecil yang disebut sel satuan/unit cell (u.c.) berulang pada interval yang spesifik. Semua sel satuan di dalam suatu kristal identik. Jika mendeskripsikan salah satunya, berarti telah mendeskripsikan semuanya. Ini akan mempermudah proses analisis dan deskripsi struktur-internal nantinya.



SISTEM KRISTAL

Periodisitas tiga-dimensional, yang merupakan karakteristik kristal, dapat dipahami dengan menggunakan beberapa geometri yang berbeda. Sel satuan pada Gambar 1 adalah sel kubik; ketiga dimensinya sama dan saling tegak lurus sesamanya. Kristal seperti ini digolongkan ke dalam sistem kubik.

Sebelum membahas sistem-sistem kristal yang lain, kita harus memilih kerangka referensi. Sesuai konvensi, kita menempatkan sumbu x, y, dan z beserta titik asalnya pada sudut belakang kiri-bawah. Sudut-sudut aksialnya diberi tanda dengan huruf Yunani, alpha (α), beta (β), dan gamma (γ), seperti gambar 2 dibawah :

Gambar 2

Pada gambar 2 juga sesuai konvensi, dimensi-dimensi sel-satuannya masing-

masing dinamai sebagai a, b, dan c untuk ketiga arah sumbu. Variasi-variasi sudut aksial dan variasi ukuran-relatif dari dimensi a, b, dan c akan menghasilkan tujuh (dan hanya tujuh) sistem kristal. Sistem - sistem ini dimuat dalam Tabel 1 :

Tabel 1

Sistem kubik (yang memiliki simetri terbanyak) adalah sistem yang paling

sering dijumpai. Namun seperti tetragonal, ortorhombik, dan heksagonal, ketiga sistem ini juga penting untuk diketahui.

b



KISI KRISTAL

Sesuai dengan ringkasan dalam Tabel 1, kita dapat membagi ruang menjadi tujuh sistem pengisian-ruang. Sesuai dengan ketujuh sistem ini terdapat 14 pola titik, disebut kisi-kisi Bravais (Bravais lattices) (Gambar 3). Tiga di antaranya adalah sistem kubik: kubik sederhana (sc, simple cubic), kubik pemusatan-ruang (bcc), dan kubik pemusatan-sisi (fcc).

Dilihat secara abstrak, kisi-kisi pada Gambar 3 mendefinisikan suatu pengulangan titik yang periodik. Setiap titik kisi memiliki lingkungan sekitar yang identik dengan lingkungan sekitar dari titik-titik kisi yang lain. Jarak ke titik tetangga, dan arah ke atom tetangga selalu berulang. Pada kisi-kisi kubik yang sederhana, pengulangan terjadi hanya pada ketiga arah ortogonal dari sumbu-sumbu kubik tersebut. Pada kisi kubik pemusatan-ruang, pengulangan juga terjadi di pusat setiap sel-satuan. Pada kisi kubik pemusatan-sisi, pengulangan terjadi pada pusat dari setiap bidang-permukaan kubus dan pada sudut-sudut kubus (tidak ada pengulangan di pusat kubus).

Gambar 3

Documents

Kristal Material (Tatanan Atomik)