POLIMER KONDUKTIF
Dikaji dari Aspek Konduktivitas Listrik dan Teori Orbital Molekul
Oleh: I Wayan Madiya, S.Pd
1. Konduktivitas Listrik
Konduktivitas dapat didefinisikan dengan hukum Ohm yang dinyatakan dengan persamaan V/I = R, di mana I adalah kuat arus listrik (dalam Ampere) yang melalui sebuah resistor dan V adalah beda potensial (dalam Volt) pada ujung-ujung resistor. R merupakan hambatan (resistance) yang diukur dalam Ohms (Ω). Kebalikan dari hambatan (R-1) dikenal sebagai conductance. Aliran kuat arus listrik (I) merupakan resultan dari gradien pada potensial hantaran ke energi yang dikeluarkan (RI2 Joule s–1).
Tidak semua jenis bahan mematuhi hukum Ohm, misalnya tabung hampa udara, semikonduktor, dan segala sesuatu yang merupakan penghantar satu dimensional secara umum menyimpang dari hukum Ohm. Pada material Ohmic, hambatan sebanding dengan panjang dari material (l) dan berbanding terbalik dengan luas penampang dari material (A): , di mana 
adalah rapat jenis hambatan bahan dinyatakan dengan Ω meter. Kebalikan dari rapat jenis hambatan suatu bahan σ = ρ–1 merupakan konduktivitas (conductivity). Satuan dari konduktansi adalah Siemens (S = Ω–1). Satuan dari konduktivitas adalah Sm–1.Konduktivitas tergantung pada banyaknya pembawa muatan n pada material dan besar kecepatan elektron untuk berpindah pada material (mobilitas
).
).
di mana e adalah elektron. Pada sebuah logam diasumsikan bahwa semua elektron terluar bebas untuk membawa muatan dan impedansi untuk memindahkan/mengalirkan muatan adalah sebagian besar karena tabrakan-tabrakan yang terjadi antar elektron. Sifat kelistrikan dari suatu bahan ditentukan oleh struktur elektron di dalam ikatan antar molekul penyusun bahan tersebut.
Konduktivitas bergantung pada temperatur. Secara
umum, konduktivitas suatu penghantar semakin tinggi dengan menurunkan temperatur untuk jenis material logam dan konduktivitas suatu penghantar semakin rendah dengan menurunkan temperatur untuk jenis material semikonduktor dan insulator.
Pada saat suhu 0 K, elektron-elektron tidak mampu melepaskan diri dari inti-inti atomnya. Namun ketika suhu mulai meningkat misalnya pada suhu kamar, tenaga termal tersebut menyebabkan beberapa elektron mampu melepaskan diri dari ikatan kovalennya. Lepasnya beberapa elektron tersebut menyebabkan terbentuknya hole (energi yang kosong). Jumlah hole sama dengan jumlah elektron yang meninggalkannya. Energi yang diperlukan oleh elektron untuk lepas dari ikatannya disebut dengan energi gap (Eg). Tingkat tenaga dari electron-elektron valensi sangat dekat satu sama lain sehingga hanya diperlukan sedikit tenaga bagi elektron tersebut untuk bergerak menempati hole yang mengakibatkan terbentuknya hole baru. Hole baru tersebut akan diisi oleh elektron di sebelahnya, sehingga terjadilah gerakan elektron-elektron valensi yang seolah-olah memperlihatkan terjadi gerakan hole yang bermuatan positif sebesar muatan elektron. Hal inilah yang menyebabkan adanya hantaran listrik.
Selain itu, pergerakan elektron bergantung pada besarnya energi gap (Eg) yang ada pada ikatan molekul bahan tersebut. Apabila energi yang tersedia sama dengan Eg maka elektron akan siap untuk tereksitasi. Jika energi yang tersedia lebih besar dari Eg, maka elektron terluar akan mudah untuk tereksitasi, sedangkan jika energi yang tersedia lebih kecil dari Eg, maka elektron akan cenderung diam.
2. Teori Orbital Molekul
Suatu polimer akan dapat menghantarkan arus listrik jika rangkaian antara atom pada molekul polimer tersebut mempunyai ikatan rangkap yang terkonjugasi (ikatan pada rantai berupa ikatan tunggal dan rangkap yang letaknya berselang-seling). Contoh dari polimer terkonjugasi adalah plastik tradisional (polyethylen), sedangkan contoh polimer konduktif adalah poliasetilena (polyacetylene). Struktur poliasetilena disajikan pada Gambar 3.
|
membentuk ikatan-σ (seluruh elektron pada ikatan-σ terikat kuat dan stabil), sedangkan orbital pz yang membentang secara tegak lurus terhadap orbital sp2 membentuk ikatan-π (elektronnya tidak berpasangan, bebas bergerak, dan dapat berpindah tempat). Ikatan-π inilah yang merupakan sumber muatan bebas dalam polimer konjugasi yang menyebabkan bersifat konduktor.
Menurut model mekanika kuantum, untuk partikel bebas pada sebuah ruang kotak satu dimensi fungsi gelombang berpasangan dengan nilai-nilai eigennya: ; n = 1, 2, 3, …
Dalam konfigurasi keadaan dasar tanpa pasangan-pasangan elektron, pasangan elektron akan menempati tingkat yang lebih rendah hingga mencapai HOMO dan tingkat yang lebih tinggi dari LUMO kosong sebagaimana dapat dilihat pada Gambar 5. Sehingga highest occupied molecular orbital (HOMO) energy dan lowest unoccupied molecular orbital energy berturut-turut adalah:
Energi yang diperlukan agar suatu elektron dapat berpindah (tereksitasi) dari HOMO ke LUMO adalah:
; (N besar).Berikut beberapa prinsip interaksi pada proses transfer elektron, yaitu: (1) HOMO (pemberian elektron paling mudah) dan LUMO (penerimaan elektron paling mudah) dari molekul yang lain, (2) HOMO yang lebih tinggi (energi ionisasi yang lebih kecil) memberikan kemampuan yang lebih kuat untuk memberikan elektron pada molekul yang lain, (3) LUMO yang lebih rendah (afinitas elektron yang lebih besar) memberikan kemampuan yang lebih kuat untuk menerima elektron dari molekul yang lain, dan (4) LUMO yang lebih tinggi dan HOMO yang lebih rendah akan memberikan kemampuan yang lebih rendah untuk menerima atau memberikan elektron.
LAMPIRAN 11. Penggambaran ikatan-σ dan ikatan-π pada pada sp2 pada CH2 == CH2
2. Penggambaran ikatan-σ dan ikatan-π pada Polyacetilena
 |
TUGAS MATA KULIAH SAINS MASA DEPAN
POLIMER KONDUKTIF
Dikaji dari Aspek Konduktivitas Listrik dan
Teori Orbital Molekul
 |
OLEH.
I WAYAN MADIYA
I KOMANG ARI ANGGARA
KADEK ANTARI
I KETUT SUBUDI
JURUSAN PENDIDIKAN SAINS
PROGRAM PASCASARJANA
UNIVERSITAS PENDIDIKAN GANESHA
SINGARAJA
2010
Komentar