Kuliah Sesi 3 " PADAT, CAIR, PLASMA DAN GAS"

Kategori sederhana materi dibagi atas 3 kondisi : kondisi temperatur tinggi (high energy physics), Kondisi temperatur dan tekanan normal, dan kondisi temperatur rendah (low temperature). Pada kondisi normal materi kita bedakan atas 4 tipe : Padat, Cair, Plasma, dan Gas.

PADAT

Padat dicirikan oleh kondisi atom atau molekulnya yang teratur menurut pola tertentu, berjangkauan panjang, memiliki ikatan kimia (primer dan sekunder) yang kokoh, seperti ikatan ionik, kovalen, ikatan logam bahkan ikatan van der walls untuk padatan yang lunak. Massa jenis padatan cukup tinggi untuk bertahan pada suhu dan tekanan normal dan karena itu padatan tidak mudah mengalir.  Padatan secara kasar kita bagi dua: kristalin dan amorf.

Kristal adalah padatan yang memiliki pola susunan atom yang teratur yang dinyatakan dalam 7 sistem kristal dan 14 kisi Bravais. 

Kisi kristal adalah lukisan geometrik yang menempatkan atom pada posisi, bidang dan ruang tertentu. Kristal umumnye memiliki kekerasan dan titik leleh yang tinggi. Intan adalah kristal dengan kekerasan 10 Mohs dan titik leleh mendekati 3000 oC. Itu sebabnya intan menjadi standar kekerasan dan suhu material fungsional lainnya. Batu bacan memiliki kekerasan sekitar 7 Mohs. yang terbuat dari Ruby berkisar 8 mhos dan meleleh pada suhu 2400oC. kristal ada yang transparan terhadap cahaya tampak ada yang tidak dan hanya transparan pada sinar-x. Karena itu, sinar-x dengan teknik difraksi adalah metode paling ampuh untuk mempelajari struktur kristal. Lab Fisika Universitas Negeri Makassar memiliki mesin difraksi sinar-x sejak tahun 2012.

Kristal dapat dipoles hingga sangat tipis setipis 100 atom  atau kurang dari 100 nm dengan menggunakan teknik yang disebut ion beam (berkas ion). Jika menggunakan pisau intan dengan teknik microtome kita bisa mengiris hingga 10 mikrometer. Lab Biologi baru saja memperoleh automatic microtome seharga 200 juta lebih.

Material padatan juga dapat dengan mudah dibawa ke skala nanometer bahkan ke skala 2 dimensi. Tahun 1969 Richard feynmann memulai gagasan tentang nanomaterial dalam dunia fisika. Tahun 1990 fisikawan jepang berhasil membuat carbonnano tube utk pertama kalinya. Material yang serupa ternyata sudah diproduksi oleh pandai besi di Damaskus untuk menempa pedang yang digunakan oleh Salahuddin Al Ayyubi dengan menggunakan besi terbaik dari India. Pedang samurai Katana terbaik ternyata masih 100 kali lebih tumpul dari pedang Salahuddin Al Ayyubi . Sayangnya pandai besi yang menempa pedang itu tdk mewariskan ilmunya kepada siapapun. Kasus yang sama terjadi pada pandai besi di lereng bukit Soroako yang tidak mewariskan teknik menempa besi untuk badik atau keris sulsel kepada generasi selanjutnya  sebuah cabang metalurgi yang hilang ditelan zaman.

Untuk melapisi tanur pembakaran bahan bakar roket dan harganya puluhan kali lebih mahal dari emas. Di Sulsel, Molybdenum ditemukan dilereng bukit Bontocani Kab. Bone.  Rombongan kami menemukannya dengan tidak sengaja ketika melakukan ekplorasi di daerah tersbut pada tahun 2014.

Carbon dua dimensi dikenal dengan graphene disintesis pertama kali di tahun 2010 oleh seorang mahasiswa PhD asal Rusia Novoselov dibawa bimbingan Andrei Geim. Setahun kemudian keduanya menerima hadiah nobel. Novosolev memperoleh graphine dari coretan pensil 2B di atas kertas, yang kemudian dengan teknik separasi lapisan tipis berhasil mengisolasi carbon 2 dimensi pada kondisi tekanan sangat rendah. Nobel yang mereka terima sering disebut Nobel Pinsil 2B. 

Graphene ternyata lebih keras dari ibunya, intan. Konduktivitas termal dan listriknya puluhan kali lebih baik dari besi. 

Kini graphene menjadi material impian untuk superkomputer dan aplikasi elektronik lainnya jika dapat dibuat dalam lembaran yang besar dan stabil. Graphene transparan pada cahaya tampak. Lab Fisika UNM sudah mencoba produksi grahene. Tetapi runtuh pada fase graphene oxide. Fase terakhir sebelum mencapai graphene. Ilmu dan keterampilannya masih perlu dipacu. Graphene hingga hari ini menempati posisi peringkat 1 sebagai material paling diburu di dunia.

Kita beralih ke amorf. Padatan yang bukan kristal secara umum disebut amorf. 

Amorf adalah material eksotik sederhana ketika pola keteraturan atom atau molekul runtuh dari padatan atau cair atau gas lalu berhenti dan kembali menjadi padat.

Fase transisinya disebut vitrous. Gelas dan bahan2 yang terbuat dari silikat umumnya berada pada fase amorf, pola atom tidak beraturan, panjang ikatan kimia tidak seragam dan konduktivitas listrik atau termalnya rendah. Seperti halnya kristal, bahan amorf dapat pula dibuat sangat tipis dan bila dibuat dari bahan dasar gas kita dapat menggunakan teknik deposisi, antara lain Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (PECVD) atau sputtering. 

Zat Cair

Cairan pada umumnya memiliki susunan atom yang renggang, ikatan kimianya lemah, umumnya berhubungan melalui ikatan hidrogen atau van der walls. Cairan bersifat kompressif, mudah mengalir karena perbedaan tekanan. Dewasa ini, cairan pun dapat dibuat menjadi kristal dan dimanfaatkan sebagai liquid crystal display (LCD) yang memungkinkan lahirnya TV layar datar serta layar sentuh lainnya. Dresden University, di Jerman,  memelopori produksi LCD untuk pertama kalinya. Pasport dan semua dokumen saya ditahan ketika memasuki lab LCD di Univ. tersebut tahun 1999.

Cairan seperti air selain memiliki massa jenis yang rendah, juga memiliki sifat kapilaritas dan tegangan permukaan. Sifat-sifat itu adalah karunia Allah swt, sehingga makhluk hidup dibawa air tetap dapat melanjutkan hidupnya disaat permukaan danau, sungai atau laut membeku. Tumbuh2an dapat memperoleh air dari akar yang jauh menghunjam tanah, dan hewan seperti nyamuk dapat dengan santai berdiri di atas permukaan air.

Tapi air dapat pula menjadi alat pemotong yang sangat tajam. Uap air bersuhu 700oC atau disebut uap terlampau panas dapat menggantikan pisau intan utk memotong logam dan dimanfaatkan sebagai pendorong turbine pembangkit listrik seperti di Makassar, Jeneponto dan Barru.

Air tidak menyisakan material serpihan, aman dan sangat cepat. Resiko kerja sangat rendah. Allah menjadikan alam ini untuk kita pelajari dan mengambil manfaat sebesar2nya. Sungguh rahasia yang dikandung air sangat banyak. 

Air adalah pelarut terbaik dari semua jenis pelarut yang ada dan dikenal oleh umat manusia. Air melarutkan apa saja walaupun tentu dengan laju reaksi yang berbeda. Air laut misalnya, dihiasi dengan senyawa NaCl dan Cu2SO4 agar semua sampah dan kotoran apa saja yang terendam di dalamnya akan larut dan menjadi netral. Molekul air tdk berubah karena kotoran, karena itu air dapat dijernihkan kembali dan dimanfaatkan utk kebutuhan kita termasuk untuk minum. Air yang terkontaminasi zat organik apapun tidak meruska ikatan H-O-H, artinya sekalipun air terlihat lemah, lembut, lunak tapi air ternyata tidak dapat dipotong.

Volume air dipermukaan bumi sejak Allah memerintahkan air untuk menetapi bumi tidak akan berkurang 1 cc pun. Dengan kata lain, tidak air yang dapat keluar dari atmosfer bumi. Lapisan ionosfer mencegah ion apapun untuk keluar dari atmosfer bumi termasuk air.

Air adalah materi yang massa jenis, kekentalan, tegangan permukaan, kandungan garam, dan kandungan mineral Mg yang berbeda. Perubahan salah satu parameter itu menyebabkan keduanya tidak akan bercampur. Karena itu, Allah memperlihatkan kekuasaanya dengan merubah satu parameter saja.

Plasma

Plasma adalah wujud materi normal yang ketiga. Material ini diperoleh pada suhu yang sangat tinggi akibat interaksi elektomagnetik. Pada suhu yang tinggi dan dengan lucutan listrik tegangan tinggi, atom yang ada di udara terionisasi dan berubah wujud menjadi plasma. Warna dan energi plasma sangat bergantung pada jenis atom yang terionisasi serta suhu, tekanan dan tegangan listrik yang menghasilkannya.

Kini kita mengenal lebih dari 114 jenis unsur dengan atom yang berbeda dan menghasilkan warna dan energi yang berbeda. Saat awal big bang, atom itu masih dalam bentuk ion dan memancarkan warna atau cahaya yang berbeda bersuhu jutaan Kelvin. Pada kondisi seperti itu alam semesta hanya berisi cahaya di atas cahaya, berlapis2, menyebar dengan cepat, membentuk ruang dan waktu, saling bertumbukan satu sama lain, berinteraksi, dan akhirnya membentuk ikatan menjadi unsur2 sederhana.

Di bumi kita plasma dimanfaatkan utk berbagai keperluan. Yang paling sederhana adalah TV Plasma tadi .. dan yang rumit adalah menjadi pengantar untuk menghasilkan lapisan tipis di atas permukaan lain. Misalnya melapisi atom Ti pada permukaan lensa sehingga lensa kamera kita tidak mudah jamuran.

Plasma mudah dikendalikan di dalam reaktor tekanan rendah 10 -2 mbar. Karena itu, teknologi plasma memungkinkan kita memproduksi berbagai divais teknologi yang kita gunakan sekarang  termasuk teknik lithography atau menggambar di atas permukaan silicon yang luasnya hanya 1 mikrometer per segi.

GAS

Gas adalah materi yang susunan atomnya tidak beraturan, sangat renggang dan volumenya berubah karena tekanan. Materi gas ada yang bersifat alami, dan ada yang diproduksi dari cairan atau padatan. Gas yang bersifat alami dan lembam dikenal sebagai gas mulia. Gas mulia tidak akan bereaksi dengan gas atau materi lainnya, karena itu digunakan sebagai pengusir atom lain yang mengotori sebuah benda atau sebuah sistem. Secara elektronik, gas mulia memiliki konfigurasi elektron yang penuh.

Gas mulia juga digunakan untuk menghaluskan permukaan benda lain, serta dipakai untuk mendeteksi berbagai jenis materi lainnya yang dikandung sebuah benda. Di rumah kita ada gas hidrokarbon dari kerak bumi, namanya gas elpiji. Kita pakai untuk menghasilkan dan mengendalikan api.

Zat makanan terutama tumbuh2an mengandung banyak gas. Tubuh kita memerlukannya utk metabolime dan mengusir sisa makanan yang tidak berhasil atau tdk dibutuhkan oleh sel2 tubuh. Gas itu disebut gas buang. Barangkali itu hikmahnya mengapa gas buang dari tubuh kita membatalkan wudhu. Gas buang itu membawa sampah kotoran makanan kita.

Pada tekanan yang atmosfer dan temperatur ruang, air menguap menjadi gugus OH - . Gugus ini adalah gas yang melayang ke angkasa menghiasi atmosfer bumi, bertumpuk-tumpuk, menggumpal, tekondensasi, membentuk awal tebal cumulonimbus, terionisasi. Karena massa jenisnya mencapai massa jenis air, ia turun kembali ke bumi menjadi hujan yang penuh berkah untuk semua makhluk dipermukaannya. Dapat menimbulkan petir sewaktu-waktu karena perbedaan muatan listrik di awan itu  atau dengan tanah atau dengan benda lain termasuk pesawat.

Gas adalah suatu materi yang sekalipun tidak kita lihat tetapi kita gunakan sebagai syarat kehidupan. Atmosfer kita dihiasi dengan gas O2, N2, dan CO2. O2 kita kenal sebagai zat yang digunakan dalam proses respirasi kita. O2 gratis. tetapi O2 yang digunakan di lab atau di rumah sakit, adalah O2 yang telah dibebaskan dari gas lainnya dan harganya 1 juta per 20 ltr. Jika dalam waktu 24 jam kita menghirup lebih dari 20 ltr O2. Niscaya tidak ada manusia yang mampu membayarnya untuk usia 10 tahun saja.

Kita adalah sedikit di antara yang banyak yang mampu mengendalikan gas dengan baik untuk keperluan kita. Kita membakar bensin atau bahan lainnya untuk menghasilkan gas yang memiliki tekanan yang sangat tinggi sehingga mampu memutar roda kendaraan kita. Dengan kita kita bisa bersyukur atas nikmat kendaraan, motor, mobil, kereta api, kapal laut dan pesawat terbang. 

Darimana pengetahuan kita untuk mengendalikan gas dari hasil pembakaran minyak itu ? Tahun 1800, Sadi Carnot mengajarkan siklus mesin panas untuk pertama kalinya. Hasilnya adalah mesin yang bekerja utk memudahkan otot kita.

Dewasa ini rumah kita dihiasi dengan kulkas dan AC. Itu semua karena kita mampu mengendalikan gas freon walaupun teknologinya banyak dikecam karena menyebabkan penipisan lapisan ozon.

Di dunia kedokteran gas digunakan untuk mendeteksi saluran urat nadi menuju dan meninggalkan jantung. Agar dokter mengetahui letak penyembitan pembuluh darah dan dengan tepat dapat melakukan tindakan medis tanpa pembedahan yang rumit. Gas itu adalah gas yang diionisasi.

Termodinamika dan teori kinetik gas adalah ilmu yang ampuh untuk mensyukuri nikmat gas. Pada kondisi tertentu. Kita sengaja mengurangi volume gas dalam sebuah ruang. Hasilnya kita vacuum condition. Dari situ kita belajar banyak rahasia penciptaan yang lain termasuk perilaku atom di dalam sebuah bahan misalnya melepaskan elektron dari sebuah filamen sehingga lampu menyala. Elektron adalah makhluk superhalus yang tumbukannya dengan atom gas menghasilkan lucutan listrik yang luar biasa. Kini lampu LED menghiasi rumah2 kita. Penemu lampu LED adalah fisikawan Jepang dan diganjar Nobel pada tahun 2014.

SUMBER : Kuliah Online Fisika di grup Telegram "Physics Online Course" Alumni UNM yang di bawakan oleh Ayahanda Bapak Prof. Subaer, M.Phil, Ph.D, pada Hari Kamis, 5 Januari 2017 Pukul 20.00-23.30 Wita...

Sumber Gambar : www.google.com