Penggunaan material magnet di bidang teknologi sudah banyak diketahui dan ditemukan di sekitar kita, baik material di dalam komputer pribadi, laptop, atau telepon seluler. Fungsi material magnet tersebut adalah untuk menyimpan berbagai data dalam perangkat lunak (data storage). Tidak mengherankan jika berbagai riset yang meneliti tentang material dan sifat kemagnetannya sangat diminati saat ini.
Material magnetis yang dipasang dalam perangkat elektronik umumnya memiliki ukuran partikel yang sangat kecil. Ukuran partikel yang sangat kecil erat hubungannya dengan sifat superparamagnetis suatu material. Sifat superparamagnetis dapat menghasilkan suatu perangkat lunak dengan kapasitas penyimpanan yang cukup besar.
Pengertian dari superparamagnetis itu sendiri adalah sifat suatu material yang sangat mudah dipengaruhi atau dibelokkan arah orientasi medan magnetis intrinsiknya (spin elektron) oleh medan magnet luar. Dengan kata lain, material superparamagnetis membutuhkan energi yang relatif kecil untuk mengaktifkan kemagnetannya. Pengaktifan tersebut berasal dari perubahan arah spin elektron yang searah dengan medan magnet luar yang diberikan.
Keuntungan lain dari sifat superparamagnetis adalah durabilitas yang sangat tinggi dan tahan lama. Salah satu kriteria yang dapat memenuhi sifat tersebut adalah material berskala nanometer (nm) (berukuran antara 10-100 nm) yang disebut dengan istilah nanomaterial. Di sisi lain, nanomaterial itu sendiri sangat mudah mengalami agregasi menjadi partikel berukuran lebih besar. Konsekuensinya, energi magnetisasi yang dibutuhkan medan magnet luar menjadi lebih besar pula.
Saat ini, single-molecular magnet (SMM) dianggap sebagai salah satu terobosan untuk mengatasi berbagai permasalahan tersebut. SMM memiliki sifat magnetis yang berasal dari setiap molekulnya. Fenomena kemagnetan ini berbeda dengan senyawa magnetis konvensional atau kristal magnetis meruah (bulky magnetic crystal) karena sifat magnetisnya berasal dari domain-domain yang tersusun atas gabungan spin elektron. Aspek menarik dari SMM yang lain adalah daya magnetisasi senyawa tersebut yang membutuhkan waktu lama untuk hilang. Oleh karena itu, SMM dapat diklasifikasikan sebagai salah satu senyawa superparamagnetis.
Parameter keberhasilan yang digunakan dalam mensintesis SMM dapat ditinjau dari beberapa faktor. Pertama, magnetic blocking temperature (TB), yaitu suhu tertinggi saat histeresis terbentuk pada kurva magnetisasi (M) vs. medan magnet luar (H). Kedua, medan magnet koersif atau coercive magnetic fields (HC), yaitu besar medan magnet luar untuk mengubah magnetisasi senyawa menjadi nol setelah mencapai nilai magnetisasi maksimum sebagai keadaan jenuhnya. Ketiga, energi yang diperlukan untuk mengubah suatu SMM menjadi senyawa paramagnetis yang dinotasikan dengan Ueff. Dari ketiga faktor tersebut, Ueff adalah parameter yang paling umum digunakan untuk mengukur tingkat keberhasilan dalam rangka mensintesis suatu senyawa yang dikategorikan sebagai SMM.
Mungkin akan muncul pertanyaan, “Apa perbedaan paramagnetis dengan superparamagnetis?” Lalu, “Bukankah keduanya akan kehilangan magnetisasi jika pengaruh medan magnet luar dihilangkan?” Kedua material tersebut sama-sama akan kehilangan magnetisasi jika pengaruh medan magnet luar dihilangkan. Akan tetapi, senyawa atau material yang bersifat superparamagnetis memiliki sensitivitas serta mencapai magnetisasi jenuh yang lebih tinggi dibandingkan dengan material paramagnetis., seperti ditunjukkan pada kurva magnetisasi (M) vs. medan magnet (magnetic field).
Menurut artikel ilmiah yang ditulis oleh Bolgani dan Wernsdorfer (2008), sifat kemagnetan SMM diformulasikan sebagai berikut:
H = DSz2 + E(Sx2 – S y2) + gµBµ0S∙H
Simbol Sx, Sy, dan Sz merepresentasikan komponen spin terhadap sumbu-x, y, dan z. Konstanta-konstanta D dan E terkait dengan anisotropi magnetis. Suku gµBµ0S∙H adalah deskripsi matematis dari energi Zeeman yang dipengaruhi oleh medan magnet luar atau H. Efek Zeeman muncul akibat dari interaksi antara medan magnet luar dan momen magnet atom yang dihasilkan dari momentum anguler spin dan orbitalnya. Di sisi lain, energi potensial Zeeman merupakan implikasi dari efek Zeeman yang dihasilkan dari perubahan spektra atom akibat medan magnet luar yang sangat kuat. Perbedaan diagram tingkat energi orbital tanpa dan dengan pengaruh medan magnet luar ditunjukkan pada gambar.
Berdasarkan formulasi di atas, jika nilai D < 0, suatu material akan mudah termagnetisasi di sepanjang sumbu Sz. Energi potensial untuk memagnetisasi suatu senyawa atau material memiliki pola kurva positif ganda yang identik atau dikenal dengan double-well potential energy (energi potensial sumur ganda). Istilah ini berdasarkan bentuk kurva yang sepintas menyerupai sebuah sumur. Tingkatan-tingkatan energi dalam kurva tersebut dinyatakan sebagai 2S+1, sedangkan bilangan kuantumnya, ms, memiliki nilai dalam rentang [-S,+S].
Perhatikan contoh kurva energi potensial dari senyawa [Mn12O12(O2CCH3)16(H2O)4]·4H2O·2CH3CO2H yang termasuk salah satu jenis SMM. Senyawa tersebut memiliki bilangan kuantum spin total S = 10 pada keadaan dasar atau ground state-nya. Dari nilai S = 10, nilai ms-nya secara berurutan adalah -10, -9, -8, -7, -6, -5, -4, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, dan 10.
Untuk membalik arah magnetisasi, spin elektron harus memiliki energi yang lebih besar jika dibandingkan dengan energi potensial perintang (potential energy barrier) sebesar Δ = DSZ2. Sebagai contoh, jika nilai S = -4 atau +4, nilai Δ-nya adalah 16D. Oleh karena itu, fenomena relaksasi spin akan berlangsung dari S = -4 menuju S = -2 dengan syarat ‘menuruni’ atau ‘menaiki’ tingkatan energi dari 16D (S = -4), 9D (S = -3), 4D (S = -2) serta begitu pula sebaliknya.
Fenomena relaksasi adalah suatu mekanisme pembalikan arah magnetisasi ke orientasi yang berlawanan sebagai dampak dari perubahan arah spin elektron dari tingkatan energi satu menuju tingkatan energi yang lain. Berdasarkan hukum pengaktifan termal, besarnya relaksasi berbanding terbalik dengan suhu secara eksponensial, yakni τ = τ0 exp(T0/T). Simbol τ adalah waktu relaksasi, sedangkan T merepresentasikan suhu. Angka 0 pada indeks mengisyaratkan keadaan mula-mula. Berdasarkan persamaan tersebut, suhu yang semakin rendah menyebabkan panjangnya waktu relaksasi SMM yang bersifat superparamagnetis.
Senyawa kompleks [Mn12O12(O2CCH3)16(H2O)4]·4H2O·2CH3CO2H adalah salah satu contoh SMM yang pertama kali ditemukan pada sekitar tahun 1993 (Christou dkk., 2000). Seperti yang telah disebutkan, senyawa ini memiliki S = 10. Nilai S tersebut diperoleh dari penjumlahan nilai S pada ion Mn(III) dan Mn(IV). Penentuan nilai S ini diasumsikan pada kasus spin tinggi. Penjelasan spin tinggi dapat dilihat pada artikel majalah 1000guru yang lain dengan judul “Filosofi Kimia Koordinasi” (Majalah 1000guru Edisi ke-61). Kedelapan ion Mn(III) memiliki nilai S = 2 dengan orientasi arah spin mengarah ke atas (spin-up) sedangkan keempat ion Mn(IV) memiliki nilai S = 3/2 dengan orientasi arah spin mengarah ke bawah (spin-down).
Sebagai implikasi dari nilai S yang relatif besar, proses perubahan arah spin searah sumbu-z positif menjadi berlawanan (ke arah sumbu-z negatif) akan membutuhkan energi yang besar. Hal tersebut juga berlaku sebaliknya, jika arah spin sumbu-z searah negatif menjadi searah positifnya. Dengan menggunakan persamaan Δ = DSZ2, sebuah perhitungan hipotetik dapat diperkirakan secara kasar bahwa Δ sebesar 100|D| harus dicapai untuk membalik arah magnetisasi karena perubahan dari S = -10 menuju S = +10 akan ‘menaiki’ dan ‘menuruni’ tiap tingkatan energi satu per satu, yaitu naik satu per satu dari 100D menuju 0D, kemudian turun dari 0D menuju 100D kembali. Berdasarkan hal tersebut, fenomena relaksasi SMM terjadi.
Berdasarkan paparan di atas, apa yang bisa kita pelajari dan pikirkan? Di waktu-waktu mendatang, kita tidak lagi mempelajari senyawa bersifat magnet dari sudut pandangan ilmu material saja. Ilmu kimia hanya terbatas pada sintesis dan fabrikasi material magnet, seperti senyawa oksida besi. Keberadaan SMM akan memberi kita peluang untuk menggali ilmu kimia lebih dalam dan aplikasinya lebih luas.
Kita juga tidak lagi membatasi diri dari bidang kimia tertentu, seperti kimia anorganik saja atau kuantum saja. Hal ini mendorong dan memotivasi kita untuk memahami dasar-dasar bidang kimia yang lain, seperti kimia organik untuk lebih memahami sifat-sifat dari ligan, kimia kuantum untuk mempelajari lebih dalam mengenai tingkat energi dan elektron, serta kimia fisika untuk mengombinasikan kedua cabang ilmu kimia yang telah disebutkan sebelumnya yang berdampak langsung terhadap struktur molekul SMM dan sifat kemagnetannya.
Bahan bacaan:
- Christou G., Gatteschi, D., Hendrickson, D. N., Sessoli, R. MRS Bulletin, 2000, 25, 66–71.
- Bolgani L., Wernsdorfer W., Mater., 2008, 7, 179-186
- Woodruff D.N., Winpenny R.E.P., Layfield R.A., Rev., 2013, 113, 5110-5148.
Penulis:
Langit Cahya Adi, Mahasiswa S-3 di Departemen Kimia, Osaka University.
Kontak: langit.cahyadi(at)gmail.com
