Teknik material

Ilmu material atau teknik material atau ilmu bahan adalah sebuah interdisiplin ilmu teknik yang mempelajari sifat material dan aplikasinya terhadap berbagai bidang ilmu dan teknik. Ilmu ini mempelajari hubungan antara struktur material dan sifatnya. Termasuk ke dalam ilmu ini adalah unsur fisika terapan, teknik kimia, mesin, sipil dan listrik. Ilmu material juga mempelajari teknik proses atau fabrikasi (pengecoran, pengerolan, pengelasan, dan lain-lain), teknik analisis, kalorimetri, mikroskopi optik dan elektron, dan lain-lain), serta analisis biaya atau keuntungan dalam produksi material untuk industri.

Perkembangan terakhir, ilmu tentang material ini mendapat sumbangan yang besar dari majunya bidang nanoteknologi dan mulai diajarkan secara luas di banyak universitas.

Banyak masalah ilmiah yang paling mendesak yang dihadapi manusia saat ini adalah karena keterbatasan material yang tersedia dan bagaimana material itu digunakan. Dengan demikian, terobosan dalam ilmu material cenderung mempengaruhi masa depan teknologi secara signifikan.^[1]^[2]

Ilmuwan material menekankan pemahaman bagaimana sejarah suatu material (pemrosesannya) memengaruhi strukturnya, dan dengan demikian juga sifat dan kinerjanya. Pemahaman hubungan pemrosesan-struktur-sifat disebut paradigma material. Paradigma ini digunakan untuk memajukan pemahaman di berbagai bidang penelitian, termasuk nanoteknologi, biomaterial, dan metalurgi. Ilmu material juga merupakan bagian penting dari teknik forensik dan analisis kegagalan – menyelidiki material, produk, struktur atau komponen yang gagal atau tidak berfungsi sesuai keinginan, menyebabkan cedera pribadi, atau kerusakan pada properti. Investigasi semacam itu adalah kunci untuk memahami misalnya penyebab berbagai kecelakaan dan insiden penerbangan.

Sejarah

Bahan yang menjadi pilihan utama pada era tertentu sering kali merupakan sebuah titik yang menentukan. Frasa seperti Zaman Batu, Zaman Perunggu, Zaman Besi, dan Zaman Baja adalah contohnya. Awalnya berasal dari pembuatan keramik dan metalurgi, ilmu material adalah salah satu bentuk tertua dari teknik dan ilmu terapan. Ilmu material modern berevolusi langsung dari metalurgi, yang dengan sendirinya berevolusi dari pertambangan dan (kemungkinan) ilmu keramik dan penggunaan api. Sebuah terobosan besar dalam pemahaman material terjadi pada akhir abad ke-19, ketika ilmuwan Amerika Josiah Willard Gibbs menunjukkan bahwa sifat termodinamika yang terkait dengan struktur atom dalam berbagai fase berkaitan dengan sifat fisik suatu material. Elemen penting dari ilmu material modern adalah produk dari Perlombaan Antariksa: pemahaman dan rekayasa paduan logam, material silika, dan karbon yang digunakan dalam membangun kendaraan luar angkasa memungkinkan eksplorasi luar angkasa. Ilmu material telah mendorong dan didorong oleh pengembangan teknologi revolusioner seperti karet, plastik, semikonduktor, dan biomaterial.

Sebelum tahun 1960-an (dan dalam beberapa kasus beberapa dekade setelahnya), banyak departemen ilmu material yang awalnya adalah departemen teknik metalurgi atau keramik, yang mencerminkan penekanan pada pilihan material utama abad ke-19 dan awal ke-20 yaitu logam dan keramik. Pertumbuhan ilmu material di Amerika Serikat sebagian dikatalisasi oleh Advanced Research Projects Agency, yang mendanai serangkaian laboratorium yang diselenggarakan oleh universitas pada awal 1960-an "untuk memperluas program nasional penelitian dasar dan pelatihan dalam ilmu material."^[3] Bidang ilmu material sejak saat itu diperluas untuk mencakup setiap kelas material, termasuk keramik, polimer, semikonduktor, material magnetik, biomaterial, dan nanomaterial. Ilmu material umumnya diklasifikasikan menjadi tiga kelompok berbeda: keramik, logam, dan polimer. Perubahan yang menonjol dalam ilmu material selama beberapa dekade terakhir adalah penggunaan aktif simulasi komputer untuk menemukan materi baru, memprediksi properti, dan memahami fenomena.

Dasar

Suatu material didefinisikan sebagai suatu zat (paling sering zat padat, tetapi fase kondensasi lainnya dapat dimasukkan) yang dimaksudkan untuk digunakan untuk aplikasi tertentu.^[4] Ada banyak sekali bahan di sekitar kita — bahan-bahan itu bisa ditemukan di mana saja, dari bangunan hingga pesawat ruang angkasa. Material umumnya dapat dibagi lagi menjadi dua kelas: kristal dan non-kristal. Contoh material tradisional adalah logam, semikonduktor, keramik, dan polimer.^[5] Material baru dan canggih yang sedang dikembangkan termasuk material nano, biomaterial,^[6] dan energi.

Dasar ilmu material melibatkan mempelajari struktur material, dan menghubungkannya dengan sifat-sifatnya. Begitu seorang ilmuwan material tahu tentang korelasi struktur-properti ini, mereka kemudian dapat melanjutkan untuk mempelajari kinerja relatif suatu bahan dalam suatu penerapannya. Penentu utama dari struktur suatu material dan sifat-sifatnya adalah unsur-unsur kimia penyusunnya dan cara bahan itu diproses menjadi bentuk akhirnya. Karakteristik ini yang disatukan dan dihubungkan melalui hukum termodinamika dan kinetika, mengatur struktur mikro suatu material, dan dengan demikian sifat-sifatnya.

Struktur

Seperti disebutkan di atas, struktur adalah salah satu komponen terpenting dari bidang ilmu material. Ilmu material mengkaji struktur material dari skala atom, hingga skala makro. Karakterisasi adalah cara para ilmuwan meneliti struktur suatu material. Ini melibatkan metode seperti difraksi dengan sinar-X, elektron, atau neutron, dan berbagai bentuk spektroskopi dan analisis kimia seperti spektroskopi Raman, spektroskopi dispersi energi (EDS), kromatografi, analisis termal, analisis mikroskop elektron, dll. Struktur dipelajari pada berbagai tingkatan, sebagaimana dirinci di bawah ini.

Struktur atom

Ini berkaitan dengan atom-atom dari material, dan bagaimana mereka diatur untuk memberikan molekul, kristal, dll. Sebagian besar sifat listrik, magnetik, dan kimia bahan timbul dari tingkat struktur ini. Skala panjang yang terlibat adalah angstrom (Å). Ikatan kimia dan pengaturan atom (kristalografi) adalah dasar untuk mempelajari sifat dan perilaku bahan apa pun.

Ikatan

Untuk mendapatkan pemahaman penuh tentang struktur material dan bagaimana hubungannya dengan sifat-sifatnya, ilmuwan material harus mempelajari bagaimana atom, ion, dan molekul yang berbeda diatur dan terikat satu sama lain. Ini melibatkan studi dan penggunaan kimia kuantum atau fisika kuantum. Fisika benda padat, kimia benda padat, dan kimia fisik juga terlibat dalam studi ikatan dan struktur.

Kristalografi

Struktur kristal perovskit dengan rumus kimia ABX₃^[7]

Kristalografi adalah ilmu yang meneliti susunan atom dalam padatan kristal. Kristalografi adalah alat yang berguna bagi para ilmuwan material. Dalam kristal tunggal, efek susunan kristal atom sering mudah dilihat secara makroskopis, karena bentuk alami kristal mencerminkan struktur atom. Lebih lanjut, sifat fisik sering dikendalikan oleh cacat kristal. Pemahaman tentang struktur kristal merupakan prasyarat penting untuk memahami cacat kristalografi. Sebagian besar bahan tidak terbuat sebagai kristal tunggal, tetapi dalam bentuk polikristalin yaitu sebagai agregat dari kristal kecil dengan orientasi yang berbeda. Karena itu, metode difraksi bubuk yang menggunakan pola difraksi sampel polikristalin dengan sejumlah besar kristal memainkan peran penting dalam penentuan struktural. Sebagian besar bahan memiliki struktur kristal, tetapi beberapa bahan penting tidak menunjukkan struktur kristal yang biasa. Polimer menampilkan berbagai tingkat kristalinitas, dan banyak yang sepenuhnya nonkristalin. Kaca, beberapa keramik, dan banyak bahan-bahan alami yang amorf, tidak memiliki urutan jarak jauh pada pengaturan atom mereka. Studi tentang polimer menggabungkan unsur-unsur termodinamika kimia dan statistik untuk memberikan deskripsi sifat fisik termodinamika dan mekanis.

Struktur nano

Struktur nano berurusan dengan objek dan struktur yang ada dalam kisaran panjang 1-100 nm.^[8] Dalam banyak bahan, atom atau molekul menggumpal bersama untuk membentuk objek di skala nano. Ini menyebabkan banyak sifat listrik, magnetik, optik, dan mekanik yang menarik.

Dalam menggambarkan struktur nano perlu untuk membedakan antara jumlah dimensi pada skala nano. Permukaan nanotekstur memiliki satu dimensi pada skala nano, yaitu ketebalan permukaan suatu benda pada kisaran antara 0,1 dan 100 nm. Tabung nano memiliki dua dimensi pada skala nano, yaitu diameter tabung pada kisaran antara 0,1 dan 100 nm, tetapi panjangnya bisa jauh lebih besar. Dan partikel nano bola memiliki tiga dimensi pada skala nano, yaitu partikelnya berkisar antara 0,1 dan 100 nm di setiap dimensi spasial. Istilah nanopartikel dan partikel ultrahalus (UFP) sering digunakan secara sinonim meskipun UFP dapat mencapai rentang mikrometer. Istilah 'struktur nano' sering digunakan ketika mengacu pada teknologi magnetik. Struktur nano dalam biologi sering disebut ultrastruktur.

Bahan yang atom dan molekulnya membentuk konstituen dalam skala nano (yaitu bahan yang membentuk struktur nano) disebut bahan nano atau nanomaterial. Nanomaterial adalah subjek penelitian intens di komunitas ilmu material karena sifat unik yang mereka miliki.

Mikrostruktur

Mikrostruktur adalah struktur permukaan yang disiapkan atau bahan foil tipis seperti yang diamati dengan mikroskop dengan perbesaran diatas 25x. Mikrostruktur biasanya dalam bentuk objek dari 100 nm hingga beberapa cm. Struktur mikro suatu material (yang dapat diklasifikasikan secara luas menjadi logam, polimer, keramik, dan komposit) dapat sangat memengaruhi sifat fisik seperti kekuatan, ketangguhan, keuletan, kekerasan, ketahanan korosi, perilaku suhu tinggi/rendah, ketahanan aus, dan sebagainya. Sebagian besar bahan tradisional (seperti logam dan keramik) memiliki struktur mikro.

Pembuatan kristal sempurna dari suatu material secara fisik adalah mustahil. Misalnya, setiap bahan kristalin akan mengandung cacat seperti endapan, batas butir (Hubungan Hall-Petch), kekosongan, atom interstitial atau atom substitusi. Mikrostruktur material mengungkapkan cacat yang lebih besar ini dan kemajuan dalam simulasi telah memungkinkan peningkatan pemahaman tentang bagaimana cacat dapat digunakan untuk meningkatkan sifat material.

Referensi

^ Hemminger, John C. (August 2010). Science for Energy Technology: Strengthening the Link between Basic Research and Industry (Laporan). United States Department of Energy, Basic Energy Sciences Advisory Committee. Diarsipkan dari versi asli tanggal Parameter |archive-url= membutuhkan |archive-date= (bantuan). Diakses tanggal 3 August 2018.
^ Alivisatos, Paul; Buchanan, Michelle (March 2010). Basic Research Needs for Carbon Capture: Beyond 2020 (Laporan). United States Department of Energy, Basic Energy Sciences Advisory Committee. Diarsipkan dari versi asli tanggal Parameter |archive-url= membutuhkan |archive-date= (bantuan). Diakses tanggal 3 August 2018.
^ Martin, Joseph D. (2015). "What's in a Name Change? Solid State Physics, Condensed Matter Physics, and Materials Science" (PDF). Physics in Perspective. 17 (1): 3–32. Bibcode:2015PhP....17....3M. doi:10.1007/s00016-014-0151-7.
^ "For Authors: Nature Materials" Error in webarchive template: Check |url= value. Empty.
^ Callister, Jr., Rethwisch. "Materials Science and Engineering – An Introduction" (8th ed.). John Wiley and Sons, 2009 pp.5–6
^ Callister, Jr., Rethwisch. Materials Science and Engineering – An Introduction (8th ed.). John Wiley and Sons, 2009 pp.10–12
^ A. Navrotsky (1998). "Energetics and Crystal Chemical Systematics among Ilmenite, Lithium Niobate, and Perovskite Structures". Chem. Mater. 10 (10): 2787–2793. doi:10.1021/cm9801901.
^ Cristina Buzea; Ivan Pacheco & Kevin Robbie (2007). "Nanomaterials and Nanoparticles: Sources and Toxicity". Biointerphases. 2 (4): MR17–MR71. arXiv:0801.3280 . doi:10.1116/1.2815690. PMID 20419892. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2012-07-03.