Bookmark "New method for predicting and describing how materials break" - Universal (Brittle) Materials 3D Simulation Mathematical Model?

Just for the record and future reference this rather (fairly?) wide claim to the realisation of a near "Universal" 3D Materials 3D Simulation Mathematical Model" is Published in Nature Letters under the title  "Helical crack-front instability in mixed-mode fracture". by A. J. Pons & A. Karma Notes from Nature Abstract:
-Universally unstable:
Planar crack propagation under pure tension loading (mode I) is generally stable. However, it becomes universally unstable with the superposition of a shear stress parallel to the crack front (mode III). Under this mixed-mode (I + III) loading configuration, an initially flat parent crack segments into an array of daughter cracks that rotate towards a direction of maximum tensile stress (1).
-Wide Range of Materials:
Wide range of engineering (2, 3, 4, 5, 6, 7) and geological materials (1, 8). 
The link to Nature Abstract are reproduced in references below. Ref 1)
To date at least two Science news sites have echoed the Letter to Nature with descriptions aimed at a more general public.a. ScienceDaily. b. AlphaGalileo

Short extracts from a & b.

a. "Multiscale Materials Model" ScienceDaily


"For the first time ever, a study of this new mathematical model published in Nature has managed to describe the fracture process for materials such as glass, polymers, concrete, ceramics, metals, rocks, and even certain geological fractures."

"Antonio J. Pons, of the research group on Nonlinear Dynamics, Nonlinear Optics and Lasers of the Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)-Barcelona Tech at the Terrassa Campus, has developed a new mathematical model leading to a new law of physics that describes all the stages involved in the way materials crack, making it possible to predict how they will do so before the fracture actually occurs. This is the first time ever that this model has been used to describe objects or materials in 3D, namely all of those that occupy a volume in space and are isotropic, with a homogeneous structure. The study, published in the first week of March in Nature, has been completed in collaboration with researcher Alain Karma, professor at Northeastern University in Boston."(Ref 2)

b.  "How some materials break" from AlphaGalileo.
"A material-or, in other words, any solid object or element in our environment-can break in three different ways: from top to bottom (as in the San Andreas Fault, in California); horizontally, like a cut; or as a tear, for instance when a cable is pulled and twisted at the same time.

To set a few other examples, the fault along the Serranía del Interior mountain range in Venezuela cracks following a mixed pattern, combining the first and the third model; the crankshaft in a car motor breaks from torsion and fatigue; an adjustable wrench also breaks from fatigue; polymer materials crack like rocks; objects made of glass break along the same crack lines as geological fractures." Ref 3. below.
 
Reference
 
1. 'Helical crack-front instability in mixed-mode fracture', Nature 464, 85-89 (4 March 2010)
Antonio J. Pons(1,2) & Alain Karma(1)
1.Department of Physics and Center for Interdisciplinary Research on Complex Systems, Northeastern University, Boston, Massachusetts 02115, USA
2.Present address: Department of Physics and Nuclear Engineering, Polytechnic University of Catalonia, Terrassa, Barcelona 08222, Spain.doi:10.1038/nature08862; Received 21 January 2009; Accepted 27 January 2010

ABSTRACT
Planar crack propagation under pure tension loading (mode I) is generally stable. However, it becomes universally unstable with the superposition of a shear stress parallel to the crack front (mode III). Under this mixed-mode (I + III) loading configuration, an initially flat parent crack segments into an array of daughter cracks that rotate towards a direction of maximum tensile stress (1). This segmentation produces stepped fracture surfaces with characteristic ‘lance-shaped’ markings observed in a wide range of engineering (2, 3, 4, 5, 6, 7) and geological materials (1, 8). The origin of this instability remains poorly understood and a theory with which to predict the surface roughness scale is lacking. Here we perform large-scale simulations of mixed-mode I + III brittle fracture using a continuum phase-field method (9, 10, 11) that describes the complete three-dimensional crack-front evolution. The simulations reveal that planar crack propagation is linearly unstable against helical deformations of the crack front, which evolve nonlinearly into a segmented array of finger-shaped daughter cracks. Furthermore, during their evolution, facets gradually coarsen owing to the growth competition of daughter cracks in striking analogy with the coarsening of finger patterns observed in nonequilibrium growth phenomena(12, 13, 14). We show that the dynamically preferred unstable wavelength is governed by the balance of the destabilizing effect of far-field stresses and the stabilizing effect of cohesive forces on the process zone scale, and we derive a theoretical estimate for this scale using a new propagation law for curved cracks in three dimensions. The rotation angles of coarsened facets are also compared to theoretical predictions and available experimental data.

2. ScienceDaily

3. AlphaGalileo




 

Baterai Lithium

Baterai Lithium
Dewasa ini, hampir semua peralatan elektronik portabel seperti telpon genggam, kamera, dan pemutar musik menggunakan baterai lithium. Dibandingkan dengan baterai-baterai sebelumnya, baterai lithium lebih ringan dan kapasitas penyimpanan listriknya yang lebih tinggi.
Baterai lithium merupakan baterai yang menggunakan logam lithium atau paduan lithium sebagai elektroda negatif (anoda) dan material lain seperti mangan dioksida (MnO2), tionil klorida (SOCl2), sulfur dioksida (SO2), Li-I2, Li-Ag2CrO4, Li(CFx)n dsb sebagai elektroda positif. Lithium merupakan logam yang paling ringan, rasio elektron/massa paling besar dan potensial elektroda paling negatif sehingga baterai lithium mempunyai densitas energi yang tinggi dan tegangan yang tinggi. Selain itu proses dischargenya berlangsung stabil, suhu operasi yang luas, dan kinerja yang baik pada temperatur rendah serta waktu hidup yang panjang menjadikan baterai Lithium menjadi populer belakangan ini.

Baterai Polimer Ion Lithium
Kelemahan dari baterai lithium adalah sifatnya yang reaktif terhadap air atau uap air. Akibatnya perakitan baterai harus benar-benar bebas air. Elektrolit yang digunakan biasanya adalah garam lithium yang dilarutkan dalam larutan organik polar.
Kelemahan ini diatasi dengan munculnya konsep baterai ion lithium dimana sebagai elektroda positif (katoda) tidak digunakan logam lithium akan tetapi menggunakan oksida logam lithium seperti LixCoO2, LiNiO2, dan LiMnO4. Sebagai elektroda negatif (anoda) digunakan material karbon (LixC6). Polimer ion lithium pada prinsipnya sama dengan baterai ion lithium. Perbedaannya adalah penggunaan polimer padat sebagai elektrolit, sedangkan pada baterai ion lithium menggunakan liquid atau gel elektrolit. Penggunaan elektrolit polimer mempunyai kelebihan dalam hal kemudahan dalam proses pabrikasi, fleksibel, ringan, elastik dan transparan.

Elektrolit Polimer
Elektrolit padat baterai tersusun atas polimer sebagai matrik, garam lithium sebagai pembawa muatan dan sering kali ditambah plastisizer untuk meningkatkan konduktivitas ionik dari polimer.

Pada awalnya garam lithium yang digunakan adalah LiClO4, LiBF4, LiPF6 dan LiAsF6 karena mempunyai energi kisi rendah dan anion yang mudah terkoordinasi. Akan tetapi karena kurang stabil, penggunaan garam lithium dengan anion bulky seperti lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide [LiN(CF3SO2)2, LiTFSI], lithium tris(trifuorosulfonyl)methide [LiC(CF3SO2)3, LiTSFM] dan lithium (bis(perfluoroethylsulfonyl) imide [LiN(SO2CF2CF3)2, LiBETI] yang dapat membantu solvasi ion dan mencegah bersatunya pasangan ion menjadi lebih disukai. Selain itu sering juga digunakan garam lithium dengan anion turunan borat karena anionnya dapat mendelokalisasikan muatan.
Garam lithium perfluoroalkylphosphate Li[(C2F5)3PF3] pada etylene carbonate:dimethyl carbonate (50:50 wt %) dapat meningkatkan stabilitas anodik dan efisiensi discharge yang lebih tinggi. Kenaikan kinerja elektrokimia pada elektrolit disebabkan karena perisai sterik dari fosfor dan delokalisasi muatan negatif melalui sifat hidrofobik dan penarikan elektron dari gugus perfluorinated alkyl.
Pendekatan lain untuk meningkatkan dissosiasi garam lithium adalah menggunakan agen pengkomplek anion. Contohnya pada aza-ether tersubtitusi dimana atom hidrogen pada nitrogen digantikan oleh gugus penarik elektron seperti CF3SO3 sehingga nitrogen menjadi kekurangan elektron. Contoh lain pada sisi boron pada senyawa borat atau boran yang kekurangan elektron karena adanya gugus aril atau alkil yang terflourinasi.
Pada elektrolit polimer, ion bergerak pada inter dan intrapolimer diantara sisi koordinasi yang ditunjang dengan fleksibilitas rantai utama dan rantai samping polimernya. Elektrolit polimer mempunyai atom atau gugus atom yang mempunyai kekuatan donor elektron untuk membentuk ikatan koordinasi dengan kation dengan kemudahan dalam rotasi ikatan dan jarak antara sisi koordinasi yang sesuai untuk menghilangkan pengaruh interaksi ion.

Superkonduktor Nb3Sn

Nb₃Sn merupakan senyawa intermetalik yang mempunyai sifat superkonduktor. Pada penggolongan superkonduktor, Nb₃Sn masuk pada tipe II yang mempunyai struktur kristal A15. Nb₃Sn lebih mahal daripada NbTi yang sama-sama merupakan superkonduktor, namun intensitas medan magnetik Nb₃Sn lebih tinggi hingga mencapai 30 T. NbTi hanya sampai 15 T. Temperatur kritis Nb₃Sn adalah 18,3 K sehingga dibutuhkan helium cair yang memiliki titik didih 4,2 K untuk mendinginkannya.

Superkonduktor Nb₃Sn telah mendapatkan pangsa pasar yang besar pada bidang medan magnet tinggi seperti digunakan sebagai magnet superkonduktor untuk NMR, akselerator partikel dan plasma confinement pada aplikasi fusi. Kepadatan arus kritis yang tinggi dan medan kritis atas yang tinggi sangat penting untuk aplikasi ini. Untuk memaksimalkan sifat-sifar ini, baik kontrol struktur mikro maupun kontrol stoikiometri sangatlah diperlukan.

Secara mekanis, Nb₃Sn sangat rapuh sehingga tidak dapat dengan mudah ditarik menjadi kawat. Untuk mengatasi hal ini, produsen kawat biasanya melakukan penarikan pada prekursornya yang bersifat lebih ulet. Saat ini ada tiga cara utama untuk membuat kabel Nb₃Sn, yaitu metode timah internal (internal tin), serbuk dalam tabung (powder in tube = PIT) dan proses perunggu.

Polimer-Clay Nanokomposit

Polimer nanokomposit merupakan material yang terbentuk melalui penggabungkan material polimer organik dengan material lain dalam skala nanometer. Polimer nanokomposit sangat menarik perhatian karena seringkali mempunyai sifat mekanik, termal, elektrik, dan optik yang lebih baik dibandingkan dengan makro ataupun mikropartikelnya.

Secara umum polimer nanokomposit terbentuk dengan mendispersikan nanopartikel organik atau anorganik pada matriks polimer. Nanopartikel dapat berupa material tiga dimensi berbentuk sferis atau polihedral seperti silika, material dua dimensi berupa padatan berlapis seperti clay, grafit, dan hidrotalsit ataupun nanofiber satu dimensi seperti nanotube.

Material clay merupakan material yang paling banyak menarik perhatian karena sifatnya yang kuat, kaku, melimpah di alam, murah serta kemampuannya yang tinggi dalam menginterkalasikan partikel ke dalam strukturnya. Kemampuan interkalasi ini karena muatan layer yang kecil (x=0,2-0,6) sehingga kation dalam ruang antarlapis dapat ditukar. Berbeda dengan material komposit polimer biasa, polimer-clay nanokomposit terbentuk jika polimer dapat terinterkalasi ke dalam galeri mineral clay sehingga sifat polimer yang terbentuk berbeda dengan sifat mikropartikelnya.

Salah satu kekurangan clay adalah sifatnya yang hidrofilik sehingga dapat menyebabkan aglomerasi mineral clay dalam matriks polimer yang bersifat hidrofobik. Kekurangan ini dapat diatasi dengan menginterkalasikan kation organik seperti asam amino atau alkil amonium membentuk organoclay yang bersifat hidrofobik. Peningkatkan basal spacing setelah proses interkalasi juga dapat meningkatkan kemampuan difusi polimer atau prekursor polimer ke dalam interlayer clay.

Pencampuran mineral clay dengan polimer dapat membentuk tiga jenis nanostruktur komposit tergantung pada kondisi reaksi. Pertama adalah struktur terinterkalasi dimana monolayer rantai polimer terinterkalasi dalam clay membentuk struktur multilayer clay-polimer. Kedua adalah struktur tereksfoliasi dimana lapisan clay terdispersi seragam dalam matriks polimer. Ketiga adalah struktur klaster dimana terjadi eksfoliasi parsial.

Polimer-clay nanokomposit terbentuk dengan mendispersikan material nanoclay berlapis pada matriks polimer. Nanoclay mempunyai luas permukaan yang sangat besar sehingga dapat berinteraksi secara efektif dengan matriks polimer pada konsentrasi rendah (5-8%). Akibatnya, polimer nanoclay menunjukkan peningkatan pada modulus, stabilitas termal, dan sifat barrier tanpa peningkatan berat jenis dan kehilangan sifat optik.

Terdapat berbagai proses untuk membentuk nanokomposit clay-poilmer, yaitu polimerisasi in situ, eksfoliasi larutan, dan interkalasi lelehan. Pada polimerisasi in situ, monomer diinterkalasikan ke dalam galeri clay kemudian dipolimerisasi menggunakan panas, radiasi, inisiator atau katalis. Pada eksfoliasi larutan, clay dieksfoliasi menjadi platelet tunggal menggunakan pelarut yang juga dapat melarutkan polimer. Polimer kemudian dicampur ke dalam suspensi clay dan teradsopsi pada platelet. Pelarut tersebut kemudian dievaporasi. Pada interkalasi lelehan, clay dicampur secara langsung ke dalam matriks polimer dalam keadaan meleleh.

Sekilas Tentang Nanomaterial dan Aplikasinya

Nanomaterial merupakan material yang mempunyai ukuran dalam skala nanometer yaitu berkisar antara 1-100 nm. Banyak orang tertarik dengan nanomaterial, karena dengan ukuran nano, sifat material lebih menguntungkan dari pada ukuran besar. Rekayasa material nanopartikel pada dasarnya adalah rekayasa pengendalian ukuran, bentuk, dan morfologi, serta penataan material pada ukuran nanometer, yang akan menentukan karakteristik nanopartikel hasil sintesis.

Karakteristik material dapat menjadi berbeda setelah menjadi nanomaterial, dalam hal ini ada dua alasan. Pertama, nanomaterial memiliki surface area yang besar daripada material awalnya. Hal ini dapat meningkatkan reaktifitas kimia dan meningkatkan kekuatan sifat elektronik, yang kedua adalah efek kuantum yang mendominasi bahan dari nanoscale terutama pada pengaruh optikal dan sifat magnetik material.

Nanomaterial dapat dibagi menjadi 4 golongan yaitu :

a. Nol dimensi

Nanopartikel (oksida logam, semikonduktor, fullerenes)

b. Satu dimensi

Nanotubes, nanorods, nanowires

c. Dua dimensi

Thin films (multilayer, monolayer, self-assembled, mesoporous)

d. Tiga dimensi

Nanokomposit, nanograined, mikroporous, mesoporous, interkalasi, organi-anorganik hybrids.

Banyak nanoteknologi dan nanoscience yang dilakukan untuk memproduksi nanomaterial. Nanometerial dapat dibuat dengan tekhnik top down dan bottom up, dimana top down merupakan pembuatan struktur yang kecil dari material yang berukuran besar, sedangkan tekhnik bottom up penggabungan atom-atom atau molekul-molekul menjadi partikel yang berukuran lebih besar.

Adapun beberapa sifat keunggulan dari material berukuran nano, antara lain :

1) Sifat elektrik

Nanomaterial dapat mempunyai energi lebih besar dari pada material ukuran biasa karena memiliki surface area yang besar. Energy band secara bertahap berubah terhadap orbital molekul. Logam ukuran besar mengikuti hokum Ohm. Pada logam ukuran nano harus memiliki masukan elektrostatik (menggambarkan jumlah energi elektron) Eel = e2/2C. Resistivitas elektrik mengalami kenaikan dengan berkurangnya ukuran partikel.

Contoh aplikasi : energi densitas yang tinggi dari baterai, nanokristalin merupakan material yang bagus untuk lapisan pemisah pada baterai karena dia dapat menyimpan energi yang lebih banyak. Baterai logam nikel-hidrida terbuat dari nanokristalin nikel dan logam hidrida yang membutuhkan sedikit recharging dan memiliki masa hidupa yang lama.

2) Sifat magnetik

Kekuatan magnetik adalah ukuran tingkat kemagnetan. Tingkat kemagnetan akan meningkat dengan penurunan ukuran butiran patikel dan kenaikan spesifik surface area per satuan volume partikel. Sehingga nanopmeterial memiliki sifat yang bagus dalam peningkatan sifat magnet.

Contoh aplikasi : magnet nanokristalin yttrium-samarium-cobalt memiliki sifat magnet yang luar biasa dengan luas permukaan yang besar. Aplikasinya pada mesin kapal, instrumen ultra sensitiv dan magnetic resonance imaging (MRI) pada alat diagnostik.

3) Sifat mekanik

Nanomaterial memiliki kekerasan dan tahan gores yang lebih besar bila dibandingkan dengan material dengan ukuran biasa.

Contoh aplikasi : automobil dengan efisiensi greater fuel. Nanomaterial diterapkan pada automobil sejak diketahui sifat kuat, keras dan sangat tahan terhadap erosi, diharapkan dapat diterapkan pada busi.

4) Sifat optik

Sistem nanokristalin memiliki sifat optikal yang menarik, yang mana berbeda dengan sifat kristal konvensional. Kunci peyumbang faktor masuknya quantum tertutup dari pembawa elektrikal pada nanopartikel, energi yang efisien dan memungkinkan terjadinya pertukaran karena jaraknya dalam skala nano serta memiliki sistem dengan interface yang tinggi. Dengan perkembangan teknologi dari material mendukung perkembangan sifat nanofotonik. Dengan sifat optik linear dan non linear material nano dapat dibuat dengan mengontrol dimensi kristal dan surface kimia, teknologi pembuatan menjadi faktor kunci untuk mengaplikasikan.

Contoh aplikasi : pada optoelektronik., electrochromik untuk liquid crystal display (LCD).

5) Sifat kimia

Merupakan faktor yang penting untuk aplikasi kimia nanomaterial yaitu penambahan surface area yang mana akan meningkatkan aktivitas kimia dari material tersebut.

Contoh aplikasi : teknologi fuel cell merupakan aplikasi yang penting dari penggunaan logam nanopartikel. Dimana dalam fuel cell digunakan logam Pt dan Pt-Ru.

Besi oksida nanopartikel merupakan oksida logam yang mendapat perhatian yang besar dalam rekayasa material nanopartikel, mengingat potensi penerapan teknologi yang dimungkinkan. Pemanfaatan oksida logam yang memiliki beberapa spesies oksida berkarakteristik khas ini telah banyak dilaporkan yaitu sebagai : fotokatalis pada fotooksidasi fenol sebagai katalis autooksidasi bahan bakar jet-A, komponen aktif pada media rekam padat informasi, sebagai penghantaran obat paramagnetik dengan mengubahnya menjadi senyawa magnetic-gels, sensor alkohol pada temperatur ruang dan sebagai fotokatalis untuk menguraikan air menjadi hidrogen dan oksigen dlam bentuk elektroda lapis tipis, selain itu besi oksida nanopartikel dapat dimanfaatkan untuk meningkatkan CaO sebagi sensor gas SO_2.

Struktur Kristal

Bilangan koordinasi

Pada sebuah padatan, tiap atom dikelilingi oleh sejumlah atom lain. Banyaknya atom yang mengelilingi atom tertentu disebut bilangan koordinasi. Misalkan pada padatan TiO₂, bilangan koordinasi Ti = 6 sedangkan O = 3. Artinya tiap atom Ti akan dikelilingi oleh 6 atom O, sedangkan tiap atom O akan dikelilingi oleh 3 atom Ti.

Pada padatan A_xB_y, bilangan koordinasi (BK) dari A dan B berada dalam rasio y:x. Misalnya pada padatan Contohnya pada TiO₂, perbandingan BK Ti:O = 6:3 = 2:1. Contoh lain adalah SiO₂ (BK Si = 4, BK O = 2) dan CaF₂ (BK Ca = 8, BK F = 4).

Untuk senyawa A_xB_yC_z dimana A dan B adalah kation yang terkoordinasi hanya pada anion C berlaku: x(BK A) + y(BK B) = z(BK C). Misal pada Perovskite, CaTiO₃ mengandung oktahedral Ti⁴⁺ (BK Ti = 6) dan koordinasi 12 dari Ca²⁺, sehingga berlaku: 6.1 + 12.1 = 3. BK O, maka BK O = 6. Pada struktur sebenarnya oksigen terkoordinasi oleh 2 ion Ti⁴⁺ dan 4 ion Ca²⁺.

Pada material molekular, bilangan koordinasi absolut dikontrol oleh valensi. Kecuali jika terjadi ikatan ganda atau ikatan parsial, jumlah ikatan suatu atom pada suatu molekul sama dengan bilangan koordinasi. Misalkan pada asam lemak C₁₈H₃₇COOH, maka BK atom C = 4 karena valensi dari C adalah 4.

Pada material non-molekular (misal padatan ionik), valensi dari atom atau ion tidak mempunyai pengaruh langsung terhadap bilangan koordinasi dan struktur molekul. Senyawa LiF, MgO, ScN, TiC, semuanya mempunyai rumus umum AB dan mempunyai struktur kristal yang sama dengan NaCl. BKnya adalah 6:6 akan tetapi valensi atom naik dari satu pada LiF sampai empat pada TiC dan tipe ikatan bervariasi dari ionik pada LiF sampai kovalen pada TiC.

Ikatan ionik dan kovalen

Suatu padatan kristal dapat terbentuk dari ikatan ionik maupun ikatan kovalen. Ikatan ionik terjadi pada padatan yang mengandung ion-ion bermuatan positif dan negatif. Ikatan ionik cenderung mempunyai struktur dengan simetri yang tinggi dan BK sebesar mungkin. BK ikatan kovalen biasanya lebih kecil dari ikatan ionik pada ukuran atom sama.

Tipe ikatan berkaitan dengan posisi pada sistem periodik dan keelektronegatifan. Alkali dan alkali tanah biasanya berstruktur ionik, khususnya bila berikatan dengan anion berukuran kecil dengan keelektronegatifan tinggi seperti O^2- dan F^-.

Ikatan kovalen terjadi terutama pada (a) atom kecil dengan valensi tinggi dimana pada keadaan kation akan mempolarisasi sangat kuat seperti B³⁺, Si⁴⁺, P⁵⁺, S⁶⁺, dll dengan (b) atom besar dengan keadaan anion terpolarisasi sangat kuat seperti I^- dan S^2-.

Ion dan Jari-Jari Ion

Ukuran relatif dari atom pada senyawa mempunyai pengaruh yang besar terhadap struktur yang diadopsi terutama untuk struktur ionik. Pada sistem periodik berlaku aturan-aturan sebagai berikut:

• Untuk unsur blok s dan p dalam satu golongan, jari-jari naik dengan kenaikan bilangan atom

• Untuk kation isoelektronik, jari-jari turun dengan kenaikan muatan

• Untuk unsur yang sama, jari-jari turun dengan kenaikan bilangan oksidasi

• Untuk unsur yang sama, jari-jari kation naik dengan kenaikan BK

• Sepanjang deret lantanida, ion dengan muatan yang sama, kenaikan bilangan atom menyebabkan penurunan ukuran karena orbital d kurang efektif dalam perisai. Efek yang sama terjadi pada deret ion logam transisi

• Jari-jari ion logam transisi lebih kecil daripada golongan utama

• Pasangan unsur menempati posisi diagonal pada tabel periodik mempunyai ukuran ionik yang sama

Struktur Ionik- Prinsip Umum

Senyawa ionik mempunyai kecenderungan membentuk struktur dengan simetri tinggi dan volume maksimal. Elektronetralitas lokal berlaku pada senyawa ionik, artinya sejumlah muatan positif akan dinetralkan oleh muatan negatif yang sama sehingga muatan total adalan nol. Ion pada senyawa ionik adalah bola bermuatan, elastik dan dapat terpolarisasi. Gaya tarik antar ion mematuhi hukum coulomb untuk dua ion bermuatan Z+ dan Z- yang terpisah dengan jarak r.

Aturan Rasio Radius

Aturan rasio radius menunjukan bahwa struktur yang diadopsi oleh senyawa ionik bergantung pada ukuran relatif dari ion-ionnya. Misalnya apabila suatu senyawa ionik dengan r+/r- = 0,414 maka mempunyai struktur NaCl.

Energi Kisi Kristal Ionik

Energi kisi kristal didefinisikan sebagai energi potensial total dari penataan muatan di dalam struktur kristal. Energi kisi berasal dari energi ikat antara ion tak sejenis, energi tolak antar ion sejenis serta energi tolakan jarak pendek karena overlap dari awan elektron.

Persamaan Kapustinskii

Persamaan Kapustinskii digunakan untuk menghitung energi kisi dari senyawa ionik hipotetik tak diketahui.

Siklus Born- Haber dan Perhitungan Termokimia

Dari hukum Hess maka siklus Born- Haber mempunyai persamaan:H_f = S+D/2+IP+EA+U

Stabilitas Senyawa Hipotetik dan Senyawa Nyata

Pembentukan dan stabilitas senyawa dengan keadaan valensi lebih rendah daripada normalnya menguntungkan apabila (i) potensial ionisasi kedua dan seterusnya dari logam sangat besar (ii) energi kisi dari senyawa dengan logam pada tingkat oksidasi normal berkurang.

Free, Useful, Attractive, Imaginative & Safe: Smart Material-Shape Memory Alloy-"Measuring Tape type" Steel supports Reflective Coating Armbands

I have just received my free reflective straps as promised on the EC Research-Industrial technologies page, cf. third image down on the page. One of my straps is sitting in front of me, as I write. The strap looks exactly like the web page image.

The offer opened on 15/01/2010. Hopefully there are still available. Just drop an email, as I did to the following address:

RTD-NMP-MATERIALS@ec.europa.eu

Technical description for geeks like me:
"The straps are made out of steel and normally lie flat due to their curvature along the width, but when tapped lightly against e.g. your arm or leg, they will curl themselves around as if like magic. This property is applied for example in retractable tape measures. The reflective surface consist of tens of thousands of micrometric PVC (polyvinyl chloride) prisms imprinted on the plastic surface: they collectively retro-reflect light, similar to the retro-reflectors used on road vehicles, thus improving your visibility. The European Commission wraps show (right side) a "firework" picture of a zirconium oxide with possible applications in ink-jet printing, as a courtesy from UNINOVA-CEMOP Centre

This is the sort of publicity for the profession I like, but...


It is a great pity that UNINOVA-CEMOP Centre's website does not appear to have been up-dated since 2003, when I visited today 27 March 2010.

I hope the EC publicity will stimulate them to correct this.
en référence à : European Commission - Research: Industrial technologies - Materials (afficher sur Google Sidewiki)

Reviews of "Materials and Environment" by M.F.Ashby published on MW, Google Books, and Amazon

I strongly recomment of M.F. Ashby's work. His clarity and sense of what constitutes a useful contribution to complex issues by reducing them to their essential elements is impressive.  Here is his latest contribution to address increasing concerns of enviromental issues and so help the materials community to act appropriately.
A great engineer and a blessing to the profession and to society as whole global reaching.




cf my recent post

Materials and Environment- Mothers of Inventions

James Alexander
BSc (Hons)[Strath-Glasgow] MBA-ICG[Paris] MIMM-Eur.Ing.[London]

Blogger Buzz: Blogger integrates with Amazon Associates ref My review of Nanomaterials by MF Ashby et al

Blogger Buzz: Blogger integrates with Amazon Associates

The book "Nanomaterials, nanotechnologies and design: an introduction for engineers ..." By M. F. Ashby, Daniel L. Schodek, Paulo J. S. G. Ferreira which I strongly recommend for both experienced professionals and teachers in the field as well as or even more so for all new comers to the field is available on Amazon (either on amazon.com or amazon.fr in english)

Blogger Buzz: Blogger integrates with Amazon Associates

Blogger Buzz: Blogger integrates with Amazon Associates

ZEOLIT: STRUKTUR DAN FUNGSI

Telah bertahun-tahun zeolit digunakan sebagai penukar kation (cation exchangers), pelunak air (water softening), penyaring molekul (molecular sieves) serta sebagai bahan pengering (drying agents). Selain itu zeolit juga telah digunakan sebagai katalis atau pengemban katalis pada berbagai reaksi kimia.

Zeolit merupakan mineral alumina silikat terhidrat yang tersusun atas tetrahedral-tetrahedral alumina (AlO₄^5-) dan silika (SiO₄^4-) yang membentuk struktur bermuatan negatif dan berongga terbuka/berpori. Muatan negatif pada kerangka zeolit dinetralkan oleh kation yang terikat lemah. Selain kation, rongga zeolit juga terisi oleh molekul air yang berkoordinasi dengan kation.

Rumus umum zeolit adalah M_x/n[(AlO₂)_x(SiO₂)_y].mH₂O

Dimana M adalah kation bervalensi n

(AlO₂)_x(SiO₂)_y adalah kerangka zeolit yang bermuatan negatif

H₂O adalah molekul air yang terhidrat dalam kerangka zeolit.

Zeolit pada umumnya dapat dibedakan menjadi dua, yaitu zeolit alam dan zeolit sintetik. Zeolit alam biasanya mengandung kation-kation K⁺ ,Na⁺, Ca²⁺ atau Mg²⁺ sedangkan zeolit sintetik biasanya hanya mengandung kation-kation K⁺ atau Na⁺. Pada zeolit alam, adanya molekul air dalam pori dan oksida bebas di permukaan seperti Al₂O₃, SiO₂, CaO, MgO, Na₂O, K₂O dapat menutupi pori-pori atau situs aktif dari zeolit sehingga dapat menurunkan kapasitas adsorpsi maupun sifat katalisis dari zeolit tersebut. Inilah alasan mengapa zeolit alam perlu diaktivasi terlebih dahulu sebelum digunakan. Aktivasi zeolit alam dapat dilakukan secara fisika maupun kimia. Secara fisika, aktivasi dapat dilakukan dengan pemanasan pada suhu 300-400 ^oC dengan udara panas atau dengan sistem vakum untuk melepaskan molekul air. Sedangkan aktivasi secara kimia dilakukan melalui pencucian zeolit dengan larutan Na₂EDTA atau asam-asam anorganik seperti HF, HCl dan H₂SO₄ untuk menghilangkan oksida-oksida pengotor yang menutupi permukaan pori.

Rasio Si/Al

Rasio Si/Al merupakan perbandingan jumlah atom Si terhadap jumlah atom Al di dalam kerangka zeolit. Zeolit-A merupakan zeolit sintetik yang mempunyai rasio Si/Al sama dengan satu. Beberapa zeolit mempunyai rasio Si/Al yang tinggi seperti zeolit ZK-4 (LTA), yang mempunyai struktur kerangka seperti zeolit-A, mempunyai rasio 2,5. Banyak zeolit sintetik yang dikembangkan untuk katalis mempunyai kadar Si yang tinggi seperti ZMS-5 (MFI) (Zeolit Socony-Mobil) dengan rasio Si/Al antara 20 sampai tak terhingga (murni SiO₂). Ini jauh melebihi mordenit (rasio Si/Al = 5,5) yang merupakan zeolit alam yang dikenal paling banyak mengandung Si.

Perubahan rasio Si/Al dari zeolit akan mengubah muatan zeolit sehingga pada akhirnya akan mengubah jumlah kation penyeimbang. Lebih sedikit atom Al artinya lebih sedikit muatan negatif pada zeolit sehingga lebih sedikit pula kation penyeimbang yang ada. Zeolit berkadar Si tinggi bersifat hidrofobik dan mempunyai affinitas terhadap hidrokarbon.

Kation Penyeimbang

Kerangka Si/Al-O pada zeolit bersifat rigid, akan tetapi kation bukan merupakan bagian dari kerangka ini. Kation yang berada di dalam rongga zeolit disebut exchangeable cations karena bersifat mobil dan dapat digantikan oleh kation lainnya.

Keberadaan dan posisi kation pada zeolit sangat penting untuk berbagai alasan. Lingkar silang dari cincin dan terowongan pada strukturnya dapat diubah dengan mengubah ukuran atau muatan kation. Secara signifikan hal ini akan mempengaruhi ukuran molekul yang dapat teradsorbsi. Pengubahan pada pengisian kationik juga akan mengubah distribusi muatan di dalam rongga yang akan mempengaruhi sifat adsorptif dan aktivitas katalitik dari zeolit tersebut. Dengan alasan ini maka sangat penting untuk mengatur posisi kation di dalam kerangka dan banyak penelitian telah dilakukan untuk maksud tersebut.

Zeolit sebagai agen pendehidrasi

Kristal zeolit normal mengandung molekul air yang berkoordinasi dengan kation penyeimbang. Zeolit dapat didehidrasi dengan memanaskannya. Pada keadaan ini kation akan berpindah posisi, sering kali menuju tempat dengan bilangan koordinasi lebih rendah. Zeolit terdehidrasi merupakan bahan pengering (drying agents) yang sangat baik. Penyerapan air akan membuat kation kembali menuju keadaan koordinasi tinggi.

Zeolit sebagai penukar ion

Kation Mⁿ⁺ pada zeolit dapat ditukarkan oleh ion lain yang terdapat pada larutan yang mengelilinginya. Dengan sifat ini zeolit-A dengan ion Na⁺ dapat digunakan sebagai pelunak air (water softener) dimana ion Na⁺ akan digantikan oleh ion Ca²⁺ dari air sadah. Zeolit yang telah jenuh Ca²⁺ dapat diperbarui dengan melarutkannya ke dalam larutan garam Na⁺ atau K⁺ murni. Zeolit-A sekarang ditambahkan ke dalam deterjen sebagai pelunak air menggantikan polipospat yang dapat menimbulkan kerusakan ekologi. Produksi air minum dari air laut menggunakan campuran Ag dan Ba zeolit merupakan proses desalinasi yang baik walaupun proses ini tergolong mahal.

Beberapa zeolit mempunyai affinitas besar terhadap kation tertentu. Clipnoptilolite (HFU) merupakan zeolit alam yang digunakan untuk recovery ¹³⁷Cs dari sampah radioaktif. Zeolit-A juga dapat digunakan untuk mengisolasi strontium. Zeolit telah digunakan secara besar-besaran untuk membersihkan zat radioaktif pada kecelakaan Chernobyl dan Three-Mile Island.

Zeolit juga digunakan untuk mengurangi tingkat pencemaran logam berat seperti Pb, Cd, Zn, Cu^2+, Mn²⁺, Ni²⁺ pada lingkungan. Modifikasi zeolit sebagai adsorben anion seperti NO₃^-, Cl^-, dan SO₄^- telah dikembangkan melalui proses kalsinasi zeolit-H pada suhu 550⁰C.

Zeolit sebagai adsorben

Zeolit yang terdehidrasi akan mempunyai struktur pori terbuka dengan internal surface area besar sehingga kemampuan mengadsorb molekul selain air semakin tinggi. Ukuran cincin dari jendela yang menuju rongga menentukan ukuran molekul yang dapat teradsorb. Sifat ini yang menjadikan zeolit mempunyai kemampuan penyaringan yang sangat spesifik yang dapat digunakan untuk pemurnian dan pemisahan. Chabazite (CHA) merupakan zeolit pertama yang diketahui dapat mengadsorb dan menahan molekul kecil seperti asam formiat dan metanol tetapi tidak dapat menyerap benzena dan molekul yang lebih besar. Chabazite telah digunakan secara komersial untuk mengadsorb gas polutan SO₂ yang merupakan emisi dari cerobong asap. Hal yang sama terdapat pada zeolit-A dimana diameter jendela berukuran 410 pm yang sangat kecil dibandingkan diameter rongga dalam yang mencapai 1140 pm sehingga molekul metana dapat masuk rongga dan molekul benzena yang lebih besar tertahan diluar.

Selain itu zeolit juga dapat digunakan sebagai adsorben zat warna brom dan untuk pemucatan minyak sawit mentah.

Zeolit yang digunakan sebagai penyaring molekular tidak menunjukkan perubahan cukup besar pada struktur kerangka dasar pada dehidrasi walaupun kation berpindah menuju posisi dengan koordinasi lebih rendah. Setelah dehidrasi, zeolit-A dan zeolit lainnya sangat stabil terhadap pemanasan dan tidak terdekomposisi dibawah 700⁰C. Volume rongga pada zeolit-A terdehidrasi adalah sekitar 50% dari volume zeolit.

Zeolit sebagai katalis

Zeolit merupakan katalis yang sangat berguna yang menunjukkan beberapa sifat penting yang tidak ditemukan pada katalis amorf tradisional. Katalis amorf hampir selalu dibuat dalam bentuk serbuk untuk memberikan luas permukaan yang besar sehingga jumlah sisi katalitik semakin besar. Keberadaan rongga pada zeolit memberikan luas permukaan internal yang sangat luas sehingga dapat menampung 100 kali molekul lebih banyak daripada katalis amorf dengan jumlah yang sama. Zeolit merupakan kristal yang mudah dibuat dalam jumlah besar mengingat zeolit tidak menunjukkan aktivitas katalitik yang bervariasi seperti pada katalis amorf. Sifat penyaring molekul dari zeolit dapat mengontrol molekul yang masuk atau keluar dari situs aktif. Karena adanya pengontrolan seperti ini maka zeolit disebut sebagai katalis selektif bentuk.

Aktivitas katalitik dari zeolit terdeionisasi dihubungkan dengan keberadaan situs asam yang muncul dari unit tetrahedral [AlO₄] pada kerangka. Situs asam ini bisa berkarakter asam Bronsted maupun asam Lewis. Zeolit sintetik biasanya mempunyai ion Na⁺ yang dapat dipertukarkan dengan proton secara langsung dengan asam, memberikan permukaan gugus hidroksil (situs Bronsted). Jika zeolit tidak stabil pada larutan asam, situs Bronsted dapat dibuat dengan mengubah zeolit menjadi garam NH₄⁺ kemudian memanaskannya sehingga terjadi penguapan NH₃ dengan meninggalkan proton. Pemanasan lebih lanjut akan menguapkan air dari situs Bronsted menghasilkan ion Al terkoordinasi 3 yang mempunyai sifat akseptor pasangan elektron (situs lewis). Permukaan zeolit dapat menunjukkan situs Bronsted, situs Lewis ataupun keduanya tergantung bagaimana zeolit tersebut dipreparasi.

Tidak semua katalis zeolit menggunakan prinsip deionisasi atau bentuk asam. Sifat katalisis juga dapat diperoleh dengan mengganti ion Na⁺ dengan ion lantanida seperti La³⁺ atau Ce³⁺. Ion-ion ini kemudian memposisikan dirinya sehingga dapat mencapai kondisi paling baik yang dapat menetralkan muatan negatif yang terpisah dari tetrahedral Al pada kerangka. Pemisahan muatan menghasilkan gradien medan elektrostatik yang tinggi di dalam rongga yang cukup besar untuk mempolarisasi ikatan C-H atau mengionisasi ikatan tersebut sehingga reaksi selanjutnya dapat terjadi. Efek ini dapat diperkuat dengan mereduksi Al pada zeolit sehingga unit [AlO₄] terpisah lebih jauh. Tanah jarang sebagai bentuk tersubtitusi dari zeolit-X menjadi katalis zeolit komersial pertama untuk proses cracking petroleum pada tahun 1960an. Akan tetapi katalis ini telah digantikan oleh Zeolit-Y yang lebih stabil pada suhu tinggi. Katalis ini menghasilkan 20% lebih banyak petrol (gasolin) daripada zeolit-X.

Cara ketiga penggunaan zeolit sebagai katalis adalah dengan menggantikan ion Na⁺ dengan ion logam lain seperti Ni²⁺, Pd²⁺ atau Pt²⁺ dan kemudian mereduksinya secara in situ sehingga atom logam terdeposit di dalam kerangka zeolit. Material yang dihasilkan menunjukkan sifat gabungan antara sifat katalisis logam dengan pendukung katalis logam (zeolit) dan penyebaran logam ke dalam pori dapat dicapai dengan baik.

Teknik lain untuk preparasi katalis dengan pengemban zeolit melibatkan adsorsi fisika dari senyawa anorganik volatil diikuti dengan dekomposisi termal. Ni(CO)₄ dapat teradsorb pada zeolit-X dan dengan pemanasan hati-hati akan terdekomposisi meninggalkan atom nikel pada rongga. Katalis ini merupakan katalis yang baik untuk konversi karbon monoksida menjadi metana.

Zeolit mempunyai tiga tipe katalis selektif bentuk

1. Katalis selektif reaktan

Dimana hanya molekul (reaktan) dengan ukuran tertentu yang dapat masuk ke dalam pori dan akan bereksi di dalam pori.

2. Katalis selektif produk

Hanya produk yang berukuran tertentu yang dapat meninggalkan situs aktif dan berdifusi melewati saluran (channel) dan keluar sebagai produk.

3. Katalis selektif keadaan transisi

Reaksi yang terjadi melibatkan keadaan transisi dengan dimensi yang terbatasi oleh ukuran pori.

Rekayasa zeolit

Penelitian mengenai zeolit telah berkembang menuju preparasi material baru dengan memasukkan berbagai molekul atau ion ke dalam sangkar zeolit. Misalnya pigmen ultramarine pada struktur sodalite dan mengandung ion S₃^- yang terjerat pada sangkar yang memberikan warna biru yang menarik.

Salah satu bidang penelitian ini telah terfokus pada pembentukan deposit material semikonduktor pada sangkar zeolit. Hasilnya berupa partikel yang sangat kecil yang disebut titik quantum (quantum dots). Partikel ini mempunyai sifat elektronik, magnetik dan optikal yang sangat menarik yang merupakan konsekuensi dari ukurannya daripada dari komposisi kimia. Selama proses pengisian pori, titik quantum menjadi bersambung dan material yang dihasilkan mempunyai sifat intermediet diantara partikel diskrit dan bulk semikonduktor. Salah satu contohnya adalah band gap semikonduktor CdS yang membentuk kubik diskrit klaster (CdS)₄ pada sangkar sodalite dari zeolit-A, -X dan –Y yang berbeda dengan bulk CdS.

Berbagai molekul atau ion lain dapat dimasukkan ke dalam β-cages dari zeolit termasuk logam alkali, perak dan garam perak, selenium serta berbagai polimer konduktif. Berbagai material baru ini sedang diteliti dengan pusat perhatian pada sifat fisika yang penting (semikonduktor, fotokonduktif dan konduktivitas ion, luminescence, warna dan efek ukuran quantum) yang kemudian mempunyai kemungkinan eksploitasi secara komersial.

Teknologi Penyimpanan Hidrogen

Gas hidrogen merupakan gas yang sangat reaktif. Bahkan pada konsentrasi 4-74%, gas hidrogen membentuk campuran eksplosif dengan udara. Campuran tersebut akan spontan meledak karena dipicu oleh api, panas atau sinar matahari. Karena alasan inilah maka penggunaan hidrogen sebagai bahan bakar harus sangat hati-hati. Walaupun densitas energi per gram gas hidrogen lebih besar daripada gasolin, namun densitas energi pervolumenya lebih rendah. Berbagai teknologi penyimpanan gas hidrogen telah dikembangkan dengan mempertimbangkan biaya, berat dan volume, efisiensi, keawetan, waktu pengisian dan pengosongan (charge and discharge), temperatur kerja serta efisiensinya.

1. Tangki bertekanan tinggi

Merupakan teknologi yang paling umum dan simpel walaupun secara volumetrik dan grafimetrik tidak efisien. Semakin tinggi tekanan, semakin besar energi per unit volume. Hidrogen tidak terkompresi mempunyai densitas energi 10,7 kJ/L, pada saat dikompresi pada tekanan 750 bar, densitas energinya meningkat menjadi 4,7 MJ/L. Namun masih jauh lebih kecil daripada gasoline, yaitu 34,656 MJ/L

2. Tangki hidrogen cair (Cryogenic)

Pada teknologi ini, gas hidrogen dicairkan pada suhu yang sangat rendah. Pada tekanan 1 atm, dibutuhkan temperatur hingga 22 K. Energi untuk mendinginkan hidrogen cukup energi yang besar, hingga mencapai 1/3 dari energi yang disimpan. Densitas energi hingga mencapai 8,4 MJ/L. Walaupun sangat berat, namun volumenya lebih kecil daripada tangki tekanan tinggi sehingga cocok untuk aplikasi statis.

3. Logam dan alloy

Logam atau paduan logam (alloy) menyerupai sponge yang dapat menyerap hidrogen. Hidrogen akan terabsorpsi pada ruang interstitial pada kisi kristal logam sehingga hidrogen tidak mudah terbakar dan lebih aman. Contohnya: TiFe (1,5 wt%) dan Mg₂NiH₄ (3,3 wt%).

4. Kimiawi

Pada metode ini, hidrogen disimpan dalam bentuk senyawa kimia lain yang lebih aman. Pada saat akan digunakan, baru senyawa ini diubah menjadi hidrogen melalui reaksi kimia.

a. Metanol

Infrastruktur untuk distribusi metanol sangat mudah karena sama dengan gasolin. Pada saat digunakan, metanol akan diubah menjadi gas H₂ dengan melepaskan gas CO dan CO₂.

b. Ammonia

Efisiensi volumetrik sedikit lebih tinggi daripada metanol namun bersifat toksik. Harus dikatalisi pada suhu 800-900 ^oC agar dapat melepaskan hidrogen. Biasanya didistribusikan dalam bentuk cair pada tekanan 8 atm.

c. Hidrida logam

Merupakan senyawa reaktif yang akan segera melepaskan hidrogen apabila bereaksi dengan air. Contohnya adalah NaH, LiH, NaAlH₄, NaBH₄, LiBH₄, dan CaH₂

5. Fisisorpsi:

Pada metode ini, hidrogen diadsorpsi pada permukaan bahan berpori seperti nanofiber grafit, nanotube karbon, zeolit dan Metal Organic Framework (MOF)

Materials and Environment- Mothers of Inventions

The above title is a declared objective of this blog appearing in first place in site header: "Materials Science and Engineering: Durable Development, Sustainable Development..."

My previous post but one published on 16 March 2010entitled,"Nanoscale, Nanomaterials: Basics - Calculate numbers of surface to volume atoms and much more." included embedding a Google book one of whose authors is by Prof. M.F. Ashby, FRS. whose work I admire greatly.

While researching work by his co-authors in particular by PJ Ferreira of The University of Texas at Austin,with the aim of commenting further on "Nano-things", I spotted not only Ferreira's abundant online publications which included work I had referenced very recently in fact by Carlton and Ferreira on the topic of Inverse Hall-Petch Relationship at the nanoscale (about 10nm)in Nanomaterials. Coincidences... While wondering how come my P.J. Ferreira became associated with Mike Ashby famous particularly for his work in Materials Selection for Engineering Applications a bit of lateral thinking led me to set aside for a moment considerations on how I intend to develop more on "Nano-thing" and focus a new on my blog's first declared focus the Title or Header support punch lines or Tags namely Durable Development, Sustainable Development..." ie. return to Mike F. Ashby.

EUREKA on two counts:

1. "Materials and the Environment – Eco-informed Material Choice" is the title of his second book published in 2009. An embeddable google preview is available for readers to preview in-depth. cf below or via on my RHS menu first entry in new list Materials and Environment.

2. A recent book review by fellow materials professionals appeared on Materials World book reviews I shall quote the reviews introduction "This book is an accessible introduction to environmental issues associated with materials selection. Anyone familiar with Professor Ashby’s other books will recognise his style and, as ever, he excels in presenting information in simple graphical form."...as I tried to convey in my earlier post on M.F.Ashby et al's other 2009 book on Nanotechnology.

The full review MW, Nov 2009, is freely available to all readers:
Materials and the Environment – Eco-informed Material Choice



RELATED POSTS

Nanoscale,Nanomaterials_Basics_Calculate numbers of surface to volume atoms and much more.

Multiscale modelling of materials,MMM - Introduction and Explanatory Notes; Refs.,Images, on a Hot Interdisciplinary field

Materials Technology@TMS: Web-Link Information

30 November 2009

Concrete Thinkers_Putting CO2 emissions into perspective_but how successful are they in this?

24 May 2009

Materials Science Alerts_Cement and concrete research to reduced CO2 emissions

18 May 2009

Ashby Diagrammes, Granta Design, Materials selection software

19 October 2008

Up for review - Top Ten Materials bookmarked to be at the forefront of Technology - Ten Years On

10 September 2008

Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)

Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) merupakan sel surya yang terbuat dari semikonduktror yang dilapisi oleh zat warna untuk meningkatkan efisiensi konversi sinar matahari. DSSC tersusun atas elektroda kerja, elektroda counter dan elektrolit. DSSC bekerja pada daerah sinar tampak hingga sedikit infra merah. Sinar tampak merupakan gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang 390-770 nm, sedangkan infra merah sedikit lebih panjang.

Prinsip kerja dari DSSC sendiri disajikan pada gambar 1, material semikonduktor ini ditempatkan pada plat transparan berkonduktifitas membentuk lapisan tipis. Kemudian lapisan monolayer dye ditempatkan pada permukaan lapisan nanokristalin semikonduktor. Fotoeksitasi yang dialami oleh dye menghasilkan elektron tereksitasi dari pita valensi ke pita konduksi dye (1) yang kemudian masuk ke pita konduksi dari logam oksida (2), injeksi elaktron ini melaui hubungan antara titanium dengan gugus karboksil pada zat warna. Proses ini menghasilkan dye yang bermuatan positif dan partikel TiO2 ­yang bermuatan negatif. Elektron tersebut selanjutnya keluar melalui sirkuit eksternal menuju caunter electrode (3), aliran elektron ini dimanfaatkan sebagai energi listrik. Kekosongan elektron pada pita valensi dye digantikan oleh elektron yang berasal dari elektrolit, elektrolit yang digunakan pada DSSC biasanya adalah pelarut organik yang mengandung sistem redoks, contohnya adalah pasangan iodida-triiodida. Regenerasi sensitiser oleh iodida terjadi dengan proses pendonoran elektron pada pita valensi dari dye yang teroksidasi (5). Iodida diregenerasi kembali dengan reduksi triiodida pada counter electrode, dengan memanfaatkan elektron yang berasal dari eksternal sirkuit (4), proses ini berlangsung terus-menerus sebagai suatu siklus sehingga dihasilkan arus yang kontinyu.

Create the Future_Design Contest 2010 from COMSOL Start date 01 March 2010.

This appears to be an interesting, helpful and rewarding approach to innovation from one of the leaders in commercial multiphysics modelling.

Comsol also provides a rich selection of freely available resource items, Conference reports on CD, white papers etc. which reminds me, I must pick-up the lastest. CD.

Should readers require a network partner, please check my blog posts for senior experience and multidisciplinary areas of competence.

en référence à : Create the Future Design Contest ::Create the Future (afficher sur Google Sidewiki)

Nanoscale,Nanomaterials_Basics_Calculate numbers of surface to volume atoms and much more.

NB. Embedded Google book (EB) trial, read on and scroll down for relevent pages.
and first experience with Wolfram Alpha. Both postive, a pleasure.

Having "dived in at the deep end" on a couple of recent posts, only just managing to "scratch the surface" in related post 1_ "Multiscale materials modelling" and related post 2 _ "Universal size/shape-dependent law for characteristic temperatures, phase transformation in nanoparticles," I decided to go back to basics.


It is widely known in the nanotechnology field, and as previously mentioned in my earlier post (2) that the ratio of surface area to volume increases as the size of particles size decreases (roughly as the inverse ratio of the characteristic dimension (x). cf graphs above where r is taken for spherical shapes and L for cubic shapes). At small nanosizes this increase in surface is quite dramatic. This surface to volume relationship is the most basic engineering factor in nanoscience and technology. It underpins the surface dependency of most if not all nanoscience and technology fields, eg. where surface properties and effects at low weight are required such as in catalysis or in fuel-cell applications to mention only two.

Numerous works mostly from teaching nanomaterials sources approach the subject but the best to my mind is the work by Mike Ashby et al in their book "Nanomaterials, nanotechnologies and design: an introduction for engineers ..." By M. F. Ashby, Daniel L. Schodek, Paulo J. S. G. Ferreira (ref. 1, and relevent pages in the google embedded book, read it below ) (*Prof Mike Ashby, FRS, is famous for his ability to reduce complex engineering materials mechanical properties to their simplest expression and to describe them comparitively in his now well-known Ashby diagrammes. This lead Mike to create Grant Design Ltd., in 1994 with Dr D.Cebon both of Cambridge Univ., UK. cf. Related posts )

Not to give Mike a full clean slate,(although most deserved) I have checked, re-calculated and presented Ashby et al's results in the above graphs using the fairly intuitive Wolfram Alpha's Mathamatical Tool.

To get a better grip on nano-things, their book Ch 6.2 also gives a simple numerical example of the number of increasing number of particle when reducing a particle size from 10µm diametre to a group of 10 nm in diametre particle of identical total volume. (N=V10µ/V10nm). This 10nm group is shown to be comprised of 10^9 particles which in turn is shown to to give a 1000 times increase in surface area. (notice the unit 10 is diametre and not radius)

The graph below right follows Ashby et al's eqn. 6.9 cf. embedded book pages below

Next, the authors treat crystalline nanoparticles. They point out that in addition to shape, structure must be taken into account.

They chose a nanoparticle with a the face centered cubic (FCC) structure, due to its practical importance, eg. Au, Ag, Ni, Al,Cu,Pt have FCC structure. The FCC unit cell, has 14 atoms all on the surface.(cf. image in EB below, ) The general equations for increasing numbers of atoms (n) by increasing unit cell layers are given as:

Total Nos of Surf Atoms Ns=12n^2+2 (eqn 6.10, Ashby et al EB)

Total Nos of Bulk Atoms Nb=4n^3-6n^2+3n-1 (eqn 6.11 Ashbey et al EB)

With (n) as input, resultats are tabulated for n, Ns, Nb, Ns/Nb ratio and percent. in table 6.1 of the EB below and are the so called "structural magic numbers".

There is a brave attempt to show how we get to the above equation by Univ of Wisconsin, Chem 801 Lecture notes (ref 2 below).

No wonder as a student I started to see modulable atomic structures (lego like principle), in the chemistry professors offices or on the lecture hall benches!)

Now thermodynamics imposes a total energy minimisation. For the FCC nanoparticle this given by (surface area X the surface energy), neglecting edge and curvature effects. They present an arguement based on atomic planes of high symmetry; Amoung possible shapes the smallest FCC nanoparticle is the cubo-octohedron. (Ashby fig. 6.20) which is a 14 sided polyhedron (looks almost spherical, doesn't it.) consisting of 12 surface atoms and one bulk atom.

For the cubo-octoherdral nanopartical, the crystal structure is maintained and the eqns giving the structural magic numbers are:

Total nos of surface atoms Ns= 10n2-20n+12 (eqn 6.13 Ashby)

Total nos of bulk atoms Nb= 1/3(10n^3 - 15n^2 + 11n - 3) (eqn 6.13 Ashby)

I have ploted the ratio Ns/Nb from the above eqns with hints on the ease and flexability of wolfram's maths tool. Trial and error is a good guide in this easy to use tool. Enough...

There is more and better in this my first Embedded Google Book.

It is with immense pleasure and priviledge that I am able to present "Nanomaterials, nanotechnologies and design: an introduction for engineers ..." By M. F. Ashby, Daniel L. Schodek, Paulo J. S. G. Ferreira.

More about this book
To get the most out of this book via author authorized limited preview, the reader will find my blog format too small, so take a squint to judge your degree of interest, but whatever, do check the full sized version by clicking the button "More about this book" on the bottom right hand (RH) corner of my embeded version, it's free. A new page opens which allows you to enlarge to suit any level of reading capacity. You can do your own review there and please leave a comment either on the subject of my post or on any of the themes available in the preview. Thanks in advance

Peruse with pleasure and make your own judgement.

RELATED POSTS:

Multiscale modelling of materials,MMM - Introduction and Explanatory Notes; Refs.,Images, on a Hot Interdisciplinary field

Universal size/shape-dependent law for characteristic temperatures, phase transformation in nanoparticles

Ashby Diagrammes, Granta Design, Materials selection software

It's not HSLA-Bainite"Nanostructured Steels"-Green Light by Irvine-based Materials Science Co-MMFX Tech Corp - Corrosion and Toughness Themes

REFERENCES.

1."Nanomaterials, nanotechnologies and design: an introduction for engineers ..." By M. F. Ashby, Daniel L. Schodek, Paulo J. S. G. Ferreira CH 6 Size effects Surface to volume ratio versus Shape.

2. Chem 801 Lecture Notes, Univ of Wisconsin

Smart material-Super strong gecko insired adhesive gets unstuck is reusable and facilitates recycling components

This invention - innovation appears to have fairly wide spread application potential. As such may well suggest opportunities for the enterprising.

General Motors researchers, led by Tao Xie, a polymer scientist at the GM Research and Development Center in Warren, MI., have made an extremely strong adhesive that comes apart when heated. The adhesive is 10 times stickier than Velcro and the reusable gecko-inspired glues that many research groups have been trying to perfect.

The polymers in the glue bond to each other within minutes when they are initially heated. Thus, when two pieces of the adhesive materials are heated, they stick together strongly, but they come apart easily when heated again.

It is in the class of new materials known as Shape memory materials-here a polymer.

Current Performance:
The researchers were able to attach and pull apart the polymers twice before losing one-third of the adhesive strength (that's still 6.6 times stronger than other adhesives? ) So how many cycles are possible?

Recycling components:

Mark Geoghegan, who studies reversible adhesives at the University of Sheffield in the U.K., says that strong, switchable adhesives could make it easier to recycle computers and electronics, if these adhesives were used to glue them together. "Taking complicated structures apart for reuse at the end of life of the original device is not trivial if their original production involved welding," he says.

The glue could find use in any application requiring a strong but alterable bond, such as furniture, toys, and buildings. Geoghegan envisions offices or hotel rooms that could be tailored to accommodate a handicapped person. Or, he suggests, "Imagine a U2 tour, where sets are assembled and disassembled on a daily basis. It might be easier to use a high-strength reversible adhesive than to use bolts."

This Smart Mat sounds well worth following-up.

Fuller details on MIT's Technology Review Newsletter

REF: (en référence à) : Technology Review: Super Velcro (on (afficher sur) Google Sidewiki.

Universal size/shape-dependent law for characteristic temperatures, phase transformation in nanoparticles,

The Nov. 09 issue of Materials World page 5, has captured my attention for some time. [1]

It's main feature [ref 1]was on multiscale materials modelling (MMM) upon which I finally managed to post recently (9 Feb 2010)[ref 2].

Against the above computationally intensive approach (bottom-up) and on the same page (paper edition only) was a small news snippet relating the claim by physicists Gregory Guisbiers and Lionel Buchaillot, based at the Institute of Electronics, Microelectronics and Nanotechnology (IEMN) Univ of Lille, Villeneuve d’Ascq, to a discovery of a Universal Law for characteristic temperature of nanosized-structures.

The equation, I learned from MW [1] was found by analysing and comparing how the size of nanoparticles affects the temperature at which they melt, become ferromagnetic or become superconductors. It is based upon the surface-to-volume ratio of the nanostructure and the spin of the particles which constitute a material. Surface to volume effect over multiple scales and from melting to superconduction sounded as though I ought to brush up my knowledge.


The description of different effects observed in nature by only one general equation is the “Holy Grail” for all physicists say the authors [best known examples are perhaps Maxwells Unifying Eqns of the Laws of electricity, magnetism and fluid dynamics and Einstein’s famous E=mc^2] Dr Guisbiers considers that this goal has been achieved for characteristic temperatures through a top-down approach that they present as opposed to the bottom-up approach. [3]

To investigate nanomaterials properties, two approaches are available: bottom-up and top-down. The first approach (bottom-up) makes use of computational methods (computer intensive_ fat) like molecular dynamics as in Multiscale Materials Modelling-MMM (earlier post) whereas the second (top-down) relies on classical thermodynamics, (computer lean).

Molecular dynamics in MMM often consider fewer than 100 000 atoms, in order to keep calculation time within reasonable values. This factor limits the nanostructure size modelled to a maximum size of tens of nanometres. Therefore, the top-down approach (computer lean) where one can consider bigger particles emerges as a simple complementary method that may provide useful insights in nanotechnology.[4]

Guisbiers and Buchaillot’s general equation is based only on the surface area to volume ratio of nanostructures and statistics (Fermi–Dirac or Bose–Einstein) followed by the particles involved in the considered phenomena (melting, ferromagnetism, vibration and superconduction). From the distinction between fermions and bosons, this equation indicates the universal behaviour of size and shape effects. Theoretical predictions show satisfactory agreement with experimental data taken from literature.[3]

Not having access, as yet, to their paper, I turned to two other summaries 1) by Nanowerk’s Michael Berger [5] and 2) by IOP, Physics World and Nanotechweb’s Belle Dumé. [6] as well
back-up earlier work on dimensional analysis, nano-thermodynamics and use in estimating binary phase diagrams for nanoparticles and calculation approximate melting point depression tendency at very small size (several nanometres) due to Wautelet et al. from the Belgium School at the Univ of Mons-Hainaut, in Mons, Belgium with whom Dr. Guisbiers worked in close collaboration. [7,8 ] (some background information is given below as well as further references to start the readers own enquiries)

Guisbiers and Buchaillot’s general equation is based only on the surface area to volume ratio of nanostructures and statistics (Fermi–Dirac or Bose–Einstein) followed by the particles involved in the considered phenomena (melting, ferromagnetism, vibration and superconduction). From the distinction between fermions and bosons, this equation indicates the universal behaviour of size and shape effects. Theoretical predictions show satisfactory agreement with experimental data taken from literature. [5,6]



The equation (TX/TX,∞ = [1–αshape/D](1/2S)) is based on the diameter of the nanostructure (D); a parameter (αshape) that is related to the surface-to-volume ratio; and the spin (S) of the particles involved in the considered material property. S equals 1/2 or 1 depending on whether the particles are fermions (particles with half-integer spin) or bosons (particles with integer spin). Tx stands for melting, Debye, Curie or superconducting temperature and Tx,∞ is that temperature in a macroscopic sample of the material. The equation has no adjustable parameters and works for all materials, says Guisbiers. In general, the characteristic temperatures decrease as particles become smaller. [6 ]

• The melting temperature is the highest temperature where the solid phase exists under thermodynamical equilibrium.
• The superconductive temperature is the highest temperature for which the material looses all resistance to the flow of electricity and tend to expel any magnetic fields inside it.
• The Curie temperature is the highest temperature for which the ferromagnetic phase is stable.
• The Debye temperature is the temperature corresponding to the maximal energy which can excite lattice vibrations. [ Nanowerk ref5]

Melting and ferromagnetism (which obey Fermi–Dirac statistics laws) are different from superconductivity and lattice vibrations (which follow Bose–Einstein statistics). This difference in behaviour is intimately related to the spin of the particles involved: melting is a solid-liquid phase transition and it occurs when inter-atomic bonds thermally break and a broken bond results in unpaired electrons, each characterized by a half-integer spin. Ferromagnetism, in turn, is a net magnetic moment that appears in the absence of an external magnetic field, and occurs thanks to partially filled shells of electrons. It is again characterized by a half-integer spin. [6 ]

Spin

Lattice vibrations are described by phonons, which, on the other hand, have integer spin. Superconductivity is a state in which conduction electrons are ordered into pairs of electrons, called Cooper pairs, also characterized by integer spin.

Predictions obtained from the equation agree very well with experimental data on melting and superconducting behaviour of nanoparticles – of silicon or lead, for example. The theory agrees fairly well with experimental results for ferromagnetism and lattice vibrations – the discrepancy is less than 10%. "This is an acceptable value because the model is quite simple and only requires knowledge of the size, shape and spin situation of the particles involved," adds Guisbiers” [ 6]


"The work shows that 19th century physics can still provide useful insights into 21st century nanotechnology, and all this can be done with just a pencil and paper – no supercomputers involved!" [6 ]



Back-ground material: [7,8,9, 10]
Understanding how materials behave at tiny length scales is crucial for developing future nanotechnologies and continues to be a great challenge for both theoretical and experimental physicists alike. Wautelet likes to reminds us that particles in the range 1-100 nm occupy an intermediary state between solid and molecular states. These nanoparticles range from particles made-up from a few atoms to so called ‘clusters up to the 100 nm range.(ref.x) from When the number of atoms in the particle lies in the range of 1000 or more, (factor of 10 or more) properties evolve from molecular to bulk solid in nature. Such particles are characterised by the fact that the ratio of the number of surface to volume atoms is not small. Eg. For a particle containing about 4000 atoms of radius R = 2nm approx., the ratio S/V =0.3 approx. ie. One third of the atoms are surface atoms. Therefore it is to be expected that surface effects will greatly influence cohesive properties of particles and must not be neglected. Theoretical work, on size dependant melting point depression goes as far back as 1909 to Pawlow (1909)[ref x]. Wautelet [ ] or in more detail P. Cheyssac [10 ] point out that for inorganic particles, it has been show experimentally in several studies notably by Buffet and Borel Phys Rev A 13 2287., 1976. that the melting point temperature (Tmpt.) decreases with decreasing particle radius (Tmpt decreases linearly with R^-1 (1/R).

Wautelet et al[ 7] outline the classical thermodynamics approach and extensions required to describe nanosystems with example published on binary systems such as (Se-Ge) first assuming particles are spherical (close packed) and non-spherical, [Wautelet et al. 8 ] They consider that the thermodynamical treatment remains valid for nanoparticles > 3nm. Further Wautelet et al [8 ] show that these size dependent effects are always larger for non-spherical shapes than for the spherical hypothesis, owing to the fact that the determining factor is the ratio of numbers of surface to volume atoms.

Note on high temperature superconductors for future reference:

The universal scaling law in magnetic phase diagram of high temperature superconductors (HTSC) K. Kitazawa, J. Shimoyama, H. Ikuta, T. Sasagawa and K. Kishio, Physica C: Superconductivity Volumes 282-287, Part 1, August 1997, Pages 335-338 online March 1999.
NB. Phase changes, Characteristic temperatures, T/Tc...

Abstract
An empirical scaling law γ2B = F(T/Tc) is proposed to successfully describe the three phase boundary lines; flux lattice melting , decoupling, and irreversibility lines in the magnetic phase diagram of the high temperature superconductors. The characteristic field of the three boundary lines changes by orders of magnitude, depending upon the material system; YBCO, LSCO and Bi2212. However, it was found that all the three lines could be scaled by a single material parameter, the electromagnetic anisotropy factor γ2 of each material. It is proposed that the three phase boundaries can be predicted for any HTSC system provided that its anisotropy factor is given.

Superconductors on Wikipedia

High-temperature superconductivity

Explaining high-Tc superconductors, M. Rice,Institute for Theoretical Physics, ETH Zürich in Physics World LINK Sign in to Physics World for free access to aricles and news letters.

References.

1. Model behaviour of ceramic and intermetallic alloys
(NB*** also IOM3 runs a Member-get-member scheme.
If you like my blog and references to the IOM3 and its resources, let me introduce you to the scheme. Visit the link at no cost to readers.)

2. Multiscale modelling of materials,MMM - Introduction and Explanatory Notes; Refs.,Images, on a Hot Interdisciplinary field

3. Universal size/shape-dependent law for characteristic temperatures, Abstract,
G. Guisbiers and L. Buchaillot,Physics Letters A Volume 374, Issue 2, 28 December 2009, Pages 305-308. doi:10.1016/j.physleta.2009.10.054

4. “Investigation on the nanomaterials properties”, Gregory Guisbiers,Seminar of The Microsystems Chair of the Louvain School of Engineering, 27 Nov. 2008. [LINK]

5. A universal law for characteristic temperatures at the nanoscale in Nanowerk 3 Nov 09

6. 'Universal' equation describes how materials behave at nanoscale,Physics World 5Nov09

7. Wautelet et al., Phase diagrams of small particles of binary systems: a theoretical approach.
Nanotechnology 11 (2000) 6-9. [LINK]

8. Wautelet et al, On the phase diagram of non-spherical nanoparticles, IOP pub, J. Phys.:Condens Matter 15 (2003) 3651-3655. [LINK].

9. Wautelet,M. Phase stability of electronically excited Si nanoparticles 2004 J. Phys.: Condens. Matter 16 L163-L166, download pdf free online from IOP Institute of Physics.

10 Phase transformation of metallic nanoparticles, P. Cheyssac, CNRS, Cargese Workshop Mai 2003 [LINK]