Indo. J. Chem. Sci. 2 (1) (2013)Indonesian Journal of Chemical Sciencehttp://journal.unnes.ac.id/sju/index.php/ijcs

© 2013 Universitas Negeri SemarangISSN NO 2252-6951

Info Artikel Abstrak

Abstract

PENGARUH ENKAPSULASI Fe DAN Cu PADA BNNT TERHADAP PARAMETER NMRMENGGUNAKAN DFTErwin Budi Pamungkas*), Agung Tri Prasetya dan Mohamad AlauhdinJurusan Kimia FMIPA Universitas Negeri SemarangGedung D6 Kampus Sekaran Gunungpati Telp. (024)8508112 Semarang 50229

Sejarah Artikel:Diterima Januari 2013Disetujui Januari 2013Dipublikasikan Mei 2013

Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui energi BNNT(5,0) sebelum dienkapsulasi dan setelah dienkapsulasi dengan logan Fe dan Cu, dan mempelajariparameter NMR dari BNNT setelah dienkapsulasi ataupun sebelum dienkapsulasi. Perhitungan menggunakan paket Gaussian® 03W dengan metodeDFT/B3LYP, basis set yang digunakan yakni STO-3G dan 3-21G. Perhitunganenergi dapat menentukan logam yang efektif untuk disisipkan dalam BNNT.Berdasarkan hasil perhitungan dengan kedua basis set menunjukkan bahwapenyisipan logam Cu dapat menghasilkan energi ikat yang lebih stabil, hal inidapat dilihat dari besarnya energi yang lebih kecil. Sementara itu, hasilperhitungan NMR diperoleh nilai isotropi, nilai ini dapat menunjukkan nilaikerapatan elektroniknya. Pada lapisan N pertama atau B keempat pada BNNTtanpa penyisipan logam, mempunyai nilai isotropi besar sehingga mempunyaikerapatan elektronik yang tinggi, sedangkan nilai isotropi paling kecil padalapisan N keempat atau B pertama, sehingga mempunyai kerapatan elektronikyang rendah. Penyisipan logam mempengaruhi nilai isotropi pada lapisan keduadan ketiga. Hal ini dikarenakan posisinya lebih dekat dengan logam, sehinggakerapatan elektroniknya tinggi yang ditunjukkan dengan nilai isotropi yang besar.

Alamat korespondensi:E-mail: pamungkas1104@gmail.com

Kata kunci:boron nitridenanotube(BNNT)energinuclear magnetic resonance(NMR)density functional theory(DFT)

This research aims to determine the energy and NMR parameter of BNNT(5,0)before and after encapsulation with Fe and Cu metals. Calculation was doneusing Gaussian® 03W package with DFT/B3LYP method. The basis set usedwere STO-3G and 3-21G. Energy calculation can determine the effectiveness ofmetal encapsulation in the BNNTs. Based on calculations with both basis setshowed that the encapsulation of Cu can produce more stable energy. It can beseen from the smaller amount of energy. Meanwhile, the results of thedetermination of NMR parameter obtained isotropy values, this value mayindicate the value of the electronic density. In the first layer of N or fourth layerof B on BNNT without encapsulation of metal, has a large isotropy value itmeans the layer has a high electronic density, while the smallest of isotropy valueway in the fourth layer of N or the first layer of B. It has a low electronic density.The encapsulation of the metals affects the value of isotropy in the second andthird layers. It caused by the closer position to wordsthe metals. It has highelectronic density as indicated by the large value of isotropy.

25

EB Pamungkas / Indonesian Journal of Chemical Science 2 (1) (2013)Pendahuluan

Dewasa ini, eksperimen komputermemainkan peranan yang sangat penting dalamperkembangan sains. Pada masa lalu, sainsditunjukkan oleh kaitan antara eksperimen danteori. Dalam eksperimen, sistem diukur danhasilnya dinyatakan dalam bentuk numerik.Dalam teori, model suatu sistem padaumumnya disusun dalam bentuk himpunanpersamaan matematik. Perkembangan kimiakomputasi yang dimulai pada tahun 1950 telahmengubah diskripsi suatu sistem kimia denganmasuknya unsur baru diantara eksperimen danteori yaitu eksperimen komputer (computerexperiment). Perkembangan eksperimenkomputer mengubah secara substansialhubungan tradisional antara teori daneksperimen. Simulasi komputer membutuhkansuatu metode yang akurat dalam memodelkansistem yang dikaji. Simulasi sering dapatdilakukan dengan kondisi yang sangat miripdengan eksperimen sehingga hasil perhitungankimia komputasi dapat dibandingkan secaralangsung dengan eksperimen. Jika hal initerjadi, maka simulasi bersifat sebagai alat yangsangat berguna, bukan hanya untuk memahamidan menginterpretasi data eksperimen dalamtingkat mikroskopik, tetapi juga dapat mengkajibagian yang tidak dapat dijangkau secaraeksperimen, seperti reaksi pada kondisi tekananyang sangat tinggi atau reaksi yang melibatkangas berbahaya. Penelitian kimia dengan alatkomputer pada era 1950-an dimulai dengankajian hubungan struktur kimia dengan aktivitasfisiologi dari senyawa. Salah satu ahli kimiayang berjasa besar dalam bidang ini adalah JohnPople yang berhasil mengkonversi teori-teorifisika dan matematika ke dalam kimia melaluiprogram komputer. Metode kimia komputasimemungkinkan para kimiawan melakukanpenentuan struktur dan sifat suatu sistem kimiadengan cepat. Bidang yang sangat terbantudengan berkembangnya kimia komputasi adalahbidang kristalografi (Pranowo, 2000).

Teknologi nano merupakan teknologimasa depan, karena material nanomenunjukkan sifat yang luar biasa yang dapatdimanfaatkan dalam kehidupan manusia. Inilahyang membuat para ilmuan untuk meneliti danmengembangkan teknologi nano. Boron nitridenanotube (BNNT) merupakan salah satumaterial nano yang mempunyai sifat unik danmemiliki sifat yang luar biasa. Boron nitridenanotube merupakan analog struktur dari carbonnanotube (CNT). BNNT diprediksikan pertama

kali pada tahun 1994 dan disintesis pada tahunberikutnya (Wang, et al., 2009). Sifat BNNT danCNT sangatlah berbeda, BNNT bersifat bersifatsemikonduktor dengan celah pita lebar, nilainyaberkisar 5,5 eV. Sedangkan CNT dapat bersifatkonduktor atau semikonduktor tergantung padaarah rolling dan jari-jari.

Nuclear magnetic resonance (NMR)merupakan alat teoritis yang digunakan untukmenentukan struktur yang kompleks. PadaNMR yang diuji adalah inti atom bukanelektron sehingga dapat mengetahui informasi-informasi tentang NMR dari molekul tersebut.Perhitungan secara teoritis dapat melengkapipemahaman tentang parameter NMR,eksperimen seperti yang telah ditunjukkansebelumnya dalam penelitian CNT dimanaparameter NMR telah membantu untukmenentukan dan membedakan struktur darinanotube (Ahmadi, et al., 2010). Perhitungandengan parameter NMR dapat digunakan untukmempelajari sturuktur elektronik dan sifat darimaterial nano (Rouzbehani, et al., 2009).

DFT merupakan salah satu dari beberapapendekatan populer untuk perhitungan strukturpartikel berelektron banyak secara mekanikakuantum untuk sistem molekul dan bahanrapat. DFT adalah teori mekanika kuantumyang digunakan dalam fisika dan kimia untukmengamati keadaan dasar dari sistem banyakpartikel. Metode tradisional dalam perhitunganstruktur elektron, seperti teori Hartree Fockdidasarkan pada fungsi gelombang berelektronbanyak yang rumit. Sasaran utama dari DFTadalah menggantikan fungsi gelombang partikelberelektron banyak dengan kerapatan elektronsebagai besaran dasarnya. Metode DFTmempunyai nilai keakuratan yang tinggi dancocok dengan molekul BNNT yang mempunyaijarak antar atom yang rapat daripada metodemekanika molekul yang lebih cocok untukmolekul dengan jarak antar atom yang jauhsehingga kurang cocok untuk meneliti BNNT.Metode Penelitian

Alat yang digunakan dalam penelitian iniadalah seperangkat komputer yang mempunyaispesifikasi Intel Quart Core dengan RAM(Random Acces Memory) 2 GB. Perangkat lunakyang digunakan diantaranya Accelrys MaterialStudio 4.4 yang digunakan sebagai pemodelanstruktur BNNT(5,0), Hyperchem 8.0.8, Gaussian03, GaussView 3.0 dan operasi sistem yangdipakai adalah Windows Vista® Business OA(EM)-(SEA).

EB Pamungkas / Indonesian Journal of Chemical Science 2 (1) (2013)

26

Dilakukan pemodelan molekul BNNTdengan menggunakan perangkat lunak AccelrysMaterial Studio 4.4 yang kemudian disimpandalam format MDL Mol File (.mol). Padaujung tabung diberikan atom-atom hidrogen.Optimasi struktur dengan menggunakanperangkat lunak GaussView 3.0. File yang telahdisimpan dibuka dengan GaussView 3.0 padajob type pilih optimasi kemudian menyetingmetode (DFT) dan basis set (STO-3G atau 3-21G), sebelum menggunakan metode DFTdigunakan metode mekanika molekuler.Pemodelan struktur BNNT yang akan disisipilogam Fe atau Cu menggunakan bantuanperangkat lunak GaussView 3.0. Penyisipanlogam dilakukan pada BNNT yang telahdioptimasi, dengan membuka file output (.chk).Pilih menu element fragment untuk melakukanpenyisipan logam, klik Fe atau Cu kemudiantepatkan posisi logam tepat di tengah-tengahrongga BNNT. Setelah dilakukan penyisipanlogam kemudian model struktur dilakukanoptimasi dengan GaussView 3.0, kemudianmenyeting metode (DFT) dan basis set (STO-3Gatau 3-21G) sebelum menggunakan metodeDFT digunakan metode mekanika molekoler.Perhitungan parameter NMR struktur BNNTdengan membuka file BNNT yang telahdioptimasi (.chk) baik yang belum disisipi logamatau yang belum disisipi dengan perangkatlunak GaussView 3.0 pada job type pilih NMR,kemudian menyeting metode (DFT) dan basis set(STO-3G atau 3-21G).Hasil dan Pembahasan

Optimasi geometri bertujuan untukmemperoleh konformasi geometri yang palingstabil dari molekul BNNT(5,0) sebelum dansesudah disisipi logam. Setelah dilakukanoptimasi geometri dengan menggunakanmetode DFT-B3LYP, untuk hasil optimasigeometri hasil strukturnya dapat dilihat padaGambar 1.

Gambar 1. struktur teroptimasi untuk: (a)BNNT, (b) BNNT disisipi logam Fe, (c) BNNTdisisipi logam CuDari Gambar 1 terlihat bahwa logam yang

disisipkan yaitu Fe maupun Cu tetap berada ditengah rongga. Dari optimasi geometri akan

diperoleh energi total, energi output Gaussiansatuannya adalah hartree kemudian satuantersebut dikonversi menjadi kjoule/mol (1hartree = 627,51 kcal/mol, 1 kcal/mol = 4,1868kjoule/mol). Data energi dari BNNT sebelumdan sesudah penyisipan logam Fe atau Cu dapatdilihat pada Tabel 1.Tabel 1. Energi total molekul BNNT sebelumdan sesudah penyisipan

Berdasarkan dari Tabel 1 dapat dilihatpenyisipan logam akan menstabilkan nanotube,ini dapat dilihat dari energinya yang menjadilebih kecil. Dari Tabel 1 juga terlihat untukkedua jenis basis set yaitu STO-3G dan 3-21Gternyata molekul BNNT yang disisipi Cumempunyai energi yang lebih kecil, artinyapenyisipan dengan logam Cu lebih efektifdibanding logam Fe jika disisipkan terhadapBNNT. Penelitian ini sesuai dengan penelitianyang dilakukan Pamungkas (2010) dimanapenyisipan logam terhadap nanotube dapatmenstabilkan nanotube itu sendiri.

Logam Cu lebih stabil dari pada logam Fekarena jumlah elektron Cu lebih banyakdaripada Fe. Dan konfigurasi elektron Cuterdapat elektron yang tidak berpasangan padasub kulit 4s, sedangankan pada Fe elektron yangtidak berpasangan terdapat pada sub kulit 3d,dari sini terlihat bahwa orbital s akan lebihmudah berinteraksi dan bertukar elektron daripada orbital d. Tingkat energi orbital 4s lebihrendah daripada 3d. Untuk mencapai ke orbital3d membutuhkan energi yang lebih besar.

Kestabilan molekul BNNTmengenkapsulasi logam Fe dan Cu karenaadanya interaksi antara atom BN pada BNNTdengan atom logam, dimana akan terjadi gayaLondon. Gaya London kekuatannya tergantungpada jumlah elektron dalam molekul ataubesarnya massa molekul zat. Denganbertambahnya jumlah elektron atau massamolekul akan menyebabkan pengaruh inti atomterhadap awan elektron yang semakin lemahsehingga mudah untuk dipolarisasikan dan gayaLondon yang terjadipun akan semakin kuat.

Perhitungan energi menggunakan metodemekanika molekuler berdasarkan interaksi antarmolekul, dan tidak terlalu memperhatikanadanya elektron. Molekul digambarkan sebagaikumpulan atom yang berinteraksi dengan atomlain. Sedangkan perhitungan energi

27

EB Pamungkas / Indonesian Journal of Chemical Science 2 (1) (2013)menggunakan metode DFT lebih berdasarkaninteraksi antar elektron. Pada enkapsulasilogam, jika dihitung dengan mekanikamolekuler akan terjadi energi tolakan antaramolekul BNNT dengan logam, logam yangberada ditengah rongga BNNT dianggapsebagai benda asing, sehingga akan terjadi gayatolak menolak antara molekul BNNT denganlogam yang mengakibatkan energi yangterhitung dalam optimasi geometri akanmenjadi lebih besar.

Pada enkapsulasi logam yang dihitungdengan metode DFT, akan terjadi interaksiantara elektron logam yang tidak berpasangandengan molekul BNNT. Pada enkapsulasilogam ini akan terjadi kerapatan elektron yangmakin besar. Elektron logam yang tidakberpasangan akan berinteraksi dengan molekulBNNT, terjadi gaya London. Terjadinya gayaini menyebabkan energi yang terhitung menjadimenurun sehingga dapat menstabilkan BNNT.

Parameter NMR dihitung setelahdilakukan optimasi geometri terhadap BNNTsebelum dan setelah disisipi logam. StrukturBNNT akan terbag menjadii menjadi 4 lapisan,yang terlihat pada Gambar 2.

Gambar 2. Struktur BNNT 3DData Tabel 2 dan Tabel 3 merupakan data

NMR BNNT sebelum disisipi logam,sedangkan Tabel 4 sampai Tabel 7 merupakandata NMR setelah disisipi logam.Tabel 2. NMR BNNT basis set STO-3G

Tabel 3. NMR BNNT dengan basis set 3-21G

Dari Tabel 2 dan Tabel 3 perhitunganparameter NMR untuk 15N dan 11B denganmenggunakan basis set STO-3G dan 3-21G.Untuk 15N dapat dilihat terjadi penurunan nilai

isotropinya dari N.1 sampai N.4, sedangkanuntuk nilai anisotropinya terjadi peningkatan.Untuk 11B akan terjadi peningkatan nilaiisotropinya dari B.1 sampai B.2, sedangkanuntuk nilai anisotropinya akan mengalamipenurunan. Pada 15N nilai isotropi paling besarterdapat pada lapisan N.1, sedangkan nilaianisotropi nilai tertinggi terdapat pada lapisanN.4. Untuk 11B nilai isotropi paling besarterdapat pada lapisan B.4, sedangkan nilaianisotropi tertinggi terdapat pada lapisan B.1.lapisan N.1 mempunyai nilai isotropi palingbesar, sehingga kerapatan elektroniknya tinggi,sebaliknya nilai isotropi paling kecil padalapisan N.4 sehingga kerapatan elektroniknyarendah. Hal ini karena terjadi transfer muatanelektron dari B ke N, atom N mempunyai nilaikeelektronegatifan yang lebih tinggi sehinggaakan lebih bersifat menarik elektron. Nilaiisotropi dan anisotropi pada N lebih besardaripada B, maka inti atau proton N akan lebihterperisai oleh elektron.Tabel 4. NMR BNNT penyisipan logam Fedengan basis set STO-3G

Tabel 5. NMR BNNT penyisipan logam Fedengan basis set 3-21G

Perhitungan dengan menggunakan duabasis set yaitu STO-3G dan 3-21G, penyisipanlogam akan mempengaruhi nilai isotropi dan

EB Pamungkas / Indonesian Journal of Chemical Science 2 (1) (2013)

28

anisotropi pada N dan B pada lapisan keduadan ketiga, sedangkan untuk lapisan pertamadan keempat tidak terlalu terpengaruh nilainya.Terjadinya perubahan nilai pada lapisan keduadan ketiga ini karena posisi logam yangdisisipkan lebih dekat dengan atom pada lapisantersebut. Atom-atom pada lapisan kedua danketiga akan lebih mudah berinteraksi daripadaatom-atom pada lapisan pertama dan keempatkarena posisinya lebih dekat. Nilai isotropi padalapisan kedua dan ketiga akan mengalamikenaikan, maka kerapatan elektron pada lapisanini juga mengalami kenaikan. Bertambahnyakerapatan elektron disekitar proton akanmempengaruhi besarnya parameter shielding.Semakin besar kerapatan elektron makin besarparameter shieldingnya, maka makin besarenergi yang diperlukan untuk beresonansi dansemakin tinggi medan magnetnya.Tabel 6. NMR BNNT penyisipan logam Cudengan basis set STO-3G

Tabel 7. NMR BNNT penyisipan logam Cudengan basis set 3-21G

SimpulanPenyisipan logam Fe dan Cu kedalam

BNNT akan dapat menstabilkan molekulBNNT(5,0), hal ini dapat dilihat dari energinyayang lebih kecil. Logam Cu lebih efektif untukdisisipkan pada BNNT daripada logam Fe, halini dapat dilihat dari data energinya yang lebihkecil. Sedangkan untuk perhitungan parameterNMR, penyisipan logam akan mempengaruhinilai isotropi dan anisotropi pada lapisan kedua

dan ketiga karena posisinya lebih dekat denganlogam. Bertambahnya nilai isotropi ini akanmenyebabkan bertambahnya kerapatan protondisekitar elektron dan mempengaruhi parametershielding. Semakin besar kerapatan elektronmakin besar parameter shieldingnya, makamakin besar energi yang diperlukan untukberesonansi dan semakin tinggi medanmagnetnya.Daftar PustakaAhmadi, T. S., Ahmad Seif, dan Goodarz M.Rozbahani. 2010. The pristine and carbon,silicon or germanium-substituted (10, 0)BN nanotube: A computational DFT studyof NMR parameters. Arabian Journal ofChemistry 3, 121–126.Batista, R. J. C., Alan B. de Oliveira, dan DanielL. Rocco. 2010. Iron oxide doped boronnitride nanotubes: structural and magneticproperties. Departamento de F´ısica,Universidade Federal de Ouro Preto, OuroPreto, MG, Brazil, 35400-000.Pamungkas, B. P. 2010. Kajian Teoritis SifatCarbon Nano Tube (3,3) (CNT) TerhadapDopan Logam Fe Dan Logam Mn DenganTeori Hartree Fock (HF). Skripsi.Semarang. FMIPA Universitas NegeriSemarang.Pranowo, H.D. 2000. Kimia Komputasi.Yogyakarta : FMIPA UGM.Rouzbehani, Goudarz M., Temer S. Ahmadi,dan Ahmad Sherif. 2009. Computation ofThe NMR Parameter of H-Capped (10,0)And (5,5) Single-Walled SiC Nanotube.Journal of Physical and TheoreticalChemistry of Islamic Azad University ofIran, 6 (3) 165-171.Wang, J., Chee Huel Lee, dan Yoshio Bando.2009. Multiwalled Boron NitrideNanotubes: Growth, Properties, andApplications. Michigan USA: Departmentof Physics, Michigan TechnologicalUniversity, 118 Fisher Hall, 1400Townsend Drive, Houghton, MI 4993,USA. DOI: 10.1007/978-1-4419-0086-9_2Xiang, H.J, Jinlong Yang, J.G Hou dan QingshiZhu. 2005. Half-Metallic Ferromagnetismin Transition-Metal Encapsulated BoronNitride Nanotube. China: University ofScience and Technology. PACS numbers:75.75.+a,61.46.+w,72.25.-b,73.22.-fZhang, H. dan Ying C. 2006. Boron NitrideNanotubes: Synthesis and Structure.Canberra, Australia : The AustralianNational University.