Nanofluida Nikel Ferit Paling Stabil Berkat Asam Sitrat

Cekricek.id — Nanofluida nikel ferit adalah air yang dititipi butiran nikel ferit berukuran nano, dan tiga peneliti ITB menemukan cairan itu paling stabil bila diberi takaran asam sitrat yang kecil. Takaran terbaiknya satu bagian nanopartikel untuk seperempat bagian asam sitrat menurut volume, dan cairan hasilnya menghantarkan panas sekitar 6 persen lebih baik daripada fluida dasarnya.

Temuan itu dilaporkan Riyadi Adnan Mahmudi, Akhmad Yusuf, dan Inge Magdalena Sutjahja dari Kelompok Riset Magnetik dan Fotonik, Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Bandung. Artikel mereka, Effects of Surfactants on the Stability of Nickel Ferrite/Water Nanofluid, terbit di Jurnal Ilmu Fisika Volume 17 Nomor 1, Maret 2025, halaman 31–40.

Maksudnya begini. Mesin yang dipakai manusia modern menghasilkan panas saat bekerja, dan panas berlebih itu harus dibuang agar tekanan sistem tidak naik akibat pendinginan yang kurang, tulis para peneliti. Tugas itu dipegang fluida pemindah panas, yakni cairan seperti air, etilena glikol, dan minyak, yang efisiensinya terutama bergantung pada konduktivitas termal, atau kemampuan cairan menghantarkan panas.

Nanofluida nikel ferit, air yang dititipi partikel nano

Nanofluida, dalam definisi paper, adalah suspensi atau sistem koloid berupa fluida konvensional yang mengandung nanopartikel logam atau oksida logam, atau bahan berbasis karbon seperti grafit, grafena, dan tabung nano karbon. Ukuran partikelnya berada di rentang 1 sampai 100 nanometer. Menurut para penulis, sedikit saja partikel semacam itu yang tersebar di dalam cairan dapat memperbaiki sifat termal fluida konvensional secara nyata.

Bedanya dengan nanofluida biasa ada pada sifat magnet. Paper menyebut ferofluida sebagai suspensi fluida pemindah panas yang berisi nanopartikel berbasis besi, sedangkan nanofluida magnetik memakai jenis nanopartikel magnetik lain. Nikel ferit, dengan rumus NiFe2O4, termasuk golongan ferit spinel yang berumus umum MFe2O4, dengan M adalah ion logam transisi bervalensi dua seperti nikel, kobalt, seng, tembaga, atau mangan.

Pada sistem magnetik seperti ini, konduktivitas termal dapat ditingkatkan lebih jauh dengan medan magnet luar, tulis para peneliti. Mereka juga mencatat bahwa data surfaktan untuk ferit spinel, khususnya nikel ferit, masih sedikit. Sejauh ini surfaktan untuk nanofluida nikel ferit berbasis air terbatas pada dua senyawa, yakni tetrametilamonium hidroksida (TMAH) dan natrium dodesilbenzena sulfonat (SDBS).

Baca juga Kerutan Sub-Nanometer pada Grafena Terbukti Ubah Sifat Listrik Materialnya Sendiri

Surfaktan, pelapis yang mencegah partikel menggumpal

Surfaktan dalam paper ini berperan sebagai pelapis. Zat itu menyelubungi nanopartikel sehingga partikel tidak saling menempel membentuk gumpalan, yang dalam istilah teknis disebut aglomerasi, dan dengan begitu mengurangi sedimentasi atau pengendapan. Menurut para penulis, ketidakstabilan dapat berujung pada sedimentasi atau aglomerasi, dan keduanya sama-sama menurunkan efektivitas sistem.

Cara kerja surfaktan dibagi paper ke dalam tiga golongan. Stabilisasi elektrostatik umumnya memakai senyawa ionik, sehingga nanopartikel memperoleh muatan permukaan dan tolak-menolak antarpartikel bermuatan sama mencegah gumpalan akibat gaya tarik van der Waals. Stabilisasi sterik memakai molekul nonionik atau polimer yang menjadi penghalang antarpartikel. Stabilisasi elektrosterik menggabungkan keduanya dengan surfaktan ionik dan nonionik sekaligus.

Tim ITB menguji lima surfaktan, yaitu asam oleat, polietilena glikol 400 (PEG 400), tetrabutilamonium bromida (TBAB), gom arab, dan asam sitrat. Nanopartikel nikel ferit dibeli dari MTI Corporation dengan kemurnian 99,5 persen dan TBAB dari Wuhu Nuowei Chemistry dengan kemurnian 98 persen, sedangkan asam oleat teknis, PEG 400, gom arab, asam sitrat, dan air suling didapat dari Subur Kimia Jaya.

Pembuatan nanofluida nikel ferit memakai metode dua langkah. Nanopartikel dan surfaktan dimasukkan ke air suling, diaduk sampai homogen, lalu diultrasonikasi, yakni digetarkan dengan gelombang ultrasonik, selama total 3 jam pada daya 40 persen. Kadar nanopartikel dipatok 0,5 persen volume, dihitung dengan massa jenis nikel ferit 5,368 g/cm³ dan massa jenis air 0,997 g/cm³.

Takarannya dibuat bervariasi lewat perbandingan volume nanopartikel dan surfaktan. Asam oleat diuji pada 1:1 dan 1:2, PEG 400 pada 1:0,125 dan 1:0,25, serta TBAB pada 1:0,25, 1:0,5, 1:0,75, dan 1:1. Gom arab diuji pada 1:0,25, 1:0,5, 1:0,75, 1:1, dan 1:2, sedangkan asam sitrat pada 1:0,25, 1:0,375, 1:1, 1:2, dan 1:4.

Pemisahan dan endapan, tanda cairan gagal stabil

Kestabilan nanofluida nikel ferit pertama-tama dinilai dengan mata. Cairan diamati setiap 10 menit hingga paling lama 1 jam, lalu yang paling stabil diuji lebih lanjut dengan pengukuran potensial zeta dan konduktivitas termal dari waktu ke waktu. Tanda kegagalannya terlihat jelas, yaitu cairan terpisah dan gumpalan nanopartikel menumpuk di dasar wadah.

Asam oleat gagal pada kedua takaran. Nanofluida tidak tersebar homogen, sementara nanopartikel mengendap dan menggumpal. “Penambahan asam oleat ke nanofluida NiFe2O4/air gagal meningkatkan stabilitasnya,” tulis Mahmudi, Yusuf, dan Sutjahja. Mereka menduga penyebabnya adalah asam oleat yang tidak tersebar sempurna di air, sehingga pelapisan nanopartikel kemungkinan tidak efektif.

PEG 400 dan TBAB juga tidak menghasilkan sebaran homogen. Pemisahan sudah terlihat dalam 5 menit dan makin nyata seiring waktu. Untuk PEG 400, para peneliti menduga nanopartikel tidak mampu menyerap rantai polimernya, sehingga stabilisasi sterik tidak tercapai. TBAB sedikit berbeda, sebab menaikkan kadarnya mengurangi pemisahan, tetapi cairan tetap tidak mencapai kestabilan jangka panjang.

Gom arab memberi hasil yang lebih baik. Menurut paper, sedikit gom arab sudah mendorong nanofluida nikel ferit menjadi homogen dengan endapan yang jauh lebih sedikit setelah beberapa menit. Penambahan gom arab mengurangi endapan, dan endapan itu hilang pada perbandingan 1:2. Asam sitrat sudah memberi kestabilan baik pada takaran terkecil, 1:0,25, dan suspensinya bertahan bahkan setelah beberapa hari.

Paper juga menggambarkan pola pemisahan yang serupa pada semua jenis surfaktan. Laju pemisahan tinggi dalam waktu singkat di awal, lalu melambat perlahan. Para penulis menjelaskannya dengan teori Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek (DLVO), yang menyatakan gaya tarik antarpartikel lebih dominan daripada gaya tolak saat partikel bertumbukan akibat gerak Brown, sehingga partikel menggumpal, membesar, dan mengendap.

Baca juga Terobosan Produksi Massal Nanomaterial MXene Berkat Analisis Permukaan Baru

Setelah fase pengendapan cepat itu, menurut paper, laju penurunan kadar nanopartikel melambat dan cairan menunjukkan kestabilan yang lebih baik. Pola tersebut terlihat pada PEG 400, TBAB, dan asam sitrat yang pemisahannya diukur secara kuantitatif. Paper tidak menampilkan grafik pemisahan serupa untuk asam oleat dan gom arab.

Rasio 1:0,25, takaran asam sitrat terbaik dalam uji

Bedanya begini. Pada gom arab, takaran yang lebih besar memperbaiki kestabilan, tetapi pada asam sitrat arah hasilnya terbalik. “Namun, peningkatan konsentrasi asam sitrat menyebabkan pemisahan nanofluida yang lebih cepat,” tulis para peneliti. Perbandingan nanopartikel dan asam sitrat 1:0,25, takaran terkecil yang diuji, memberi kestabilan terbaik di antara semua komposisi dan menjaga suspensi tetap tersebar untuk waktu yang lama.

Para penulis menjelaskan mekanismenya lewat ion. Di dalam air, asam sitrat menghasilkan ion bebas yang diserap nanopartikel. Serapan itu memperbaiki interaksi elektrostatik antarpartikel dan menyeimbangkan tarikan dipol serta gaya van der Waals, sehingga partikel tetap tersebar. Paper menyebut asam sitrat sebagai surfaktan ionik yang lebih kecil, dan pada kadar relatif rendah ia menjaga konduktivitas termal cairan tidak banyak berubah dari waktu ke waktu.

Ada satu pengamatan lain dari proses pembuatan. Suhu nanofluida sedikit naik selama ultrasonikasi, dan menurut para peneliti kenaikan itu kemungkinan menciptakan kondisi yang mendukung penyebaran nanopartikel karena gerak Brown menguat. Dalam konteks itu, tulis mereka, efisiensi tumbukan nanopartikel berbanding lurus dengan suhu dan berbanding terbalik dengan viskositas, atau tingkat kekentalan cairan.

Potensial zeta, angka milivolt penanda kestabilan

Potensial zeta dipakai paper sebagai ukuran kuantitatif kestabilan dan dinyatakan dalam milivolt (mV). Patokannya, nilai di atas +60 mV atau di bawah −60 mV berarti kestabilan sangat baik, nilai antara 30 dan 60 mV, positif maupun negatif, berarti kestabilan baik, sedangkan nilai antara +30 dan −30 mV menandakan nanofluida tidak stabil.

Pengukuran dilakukan dengan Horiba SZ-100 Nano Particle Analyzer di Pusat Penelitian Nanosains dan Nanoteknologi (PPNN) ITB, pada nanofluida nikel ferit dengan asam sitrat berperbandingan 1:0,25 dan 1:0,375. Hasilnya menunjukkan kestabilan yang baik dan sejalan dengan pengamatan mata. Nilai untuk takaran terbaik tertulis −35,0 mV di abstrak, tetapi −30 mV di bagian kesimpulan.

Selisih itu perlu dicatat bila dibaca dengan patokan paper sendiri. Angka −35,0 mV jatuh di rentang stabil baik, sementara −30 mV berada tepat di garis batas antara rentang baik dan rentang tidak stabil. Naskah tidak menjelaskan angka mana yang dimaksud, dan teks bagian hasil tidak mencantumkan nilai potensial zeta dalam bentuk angka.

Baca juga ITB dan Masagi Cibogo Olah Botol PET Jadi Filamen 3D

Konduktivitas termal, kemampuan cairan menghantarkan panas

Uji terakhir memeriksa apakah kestabilan itu tampak pada kemampuan menghantarkan panas. Konduktivitas termal diukur dengan KD2 Pro Thermal Properties Analyzer, alat yang bekerja berdasarkan metode kawat panas transien. Pengukuran pada nanofluida nikel ferit dengan asam sitrat 1:0,25 dilakukan setiap 15 menit pada suhu ruang 26,5 derajat Celsius.

Dalam 60 menit pertama, konduktivitas termal turun sedikit dari sekitar 0,60 menjadi 0,58 W/m·K, lalu relatif tetap di angka itu selama lebih dari dua jam. Rata-ratanya 0,585 ± 0,007 W/m·K. Menurut para peneliti, angka yang nyaris tidak bergeser itu menunjukkan suspensi tersebar baik dan hanya mengalami sedikit penggumpalan.

Pembandingnya adalah air murni dan air berisi asam sitrat sebagai fluida dasar. “Hasilnya menunjukkan peningkatan konduktivitas termal sekitar 6 persen pada nanofluida yang dioptimalkan dibandingkan dengan fluida dasarnya,” tulis Mahmudi dan rekan. Maksudnya, keunggulan 6 persen itu diukur pada cairan dengan kadar nikel ferit 0,5 persen volume, bukan pada kadar lain.

Batas istilah stabil dalam paper ini perlu dibaca apa adanya. Seluruh uji nanofluida nikel ferit memakai satu kadar nanopartikel, 0,5 persen volume, dan pengamatan mata berlangsung paling lama 1 jam, di luar catatan bahwa campuran asam sitrat 1:0,25 bertahan beberapa hari. Potensial zeta hanya diukur pada dua takaran asam sitrat, dan konduktivitas termal hanya pada satu takaran terbaik.

Paper tidak memuat bagian keterbatasan tersendiri. Peningkatan konduktivitas termal yang lebih besar pada kadar nanopartikel lebih tinggi dan di bawah medan magnet luar disampaikan para penulis sebagai perkiraan, bukan hasil ukur, karena pengukuran semacam itu tidak dilaporkan. Jadi, paling stabil di sini berarti paling stabil di antara lima surfaktan dan takaran yang diuji pada kadar tersebut, tidak lebih.