PERHITUNGAN MODULUS YOUNG BAHAN LOGAM MENGGUNAKAN METODE DINAMIKA MOLEKUL

Abstract

Pengembangan material baru dengan memanfaatkan metode komputasi dan simulasi, merupakan salah satu solusi agar riset material dapat lebih dioptimalkan dan diefisiensikan sebelum sintesis eksperimen langsung. Penelitian material dengan meninjau struktur mikroskopik bahan dapat digunakan untuk mempediksi material secara makroskopik. Dengan memodelkan dan mensimulasikan bahan dalam ukuran mikro maka sifat-sifat fisis makro bahan dapat diperkirakan, contohnya informasi mengenai nilai modulus Young bahan logam tembaga, perak, emas, aluminium, dan nikel yang menunjukkan ketahanan material terhadap deformasi elastis akibat gaya eksternal. Nilai modulus Young menunjukkan tingkat kekakuan bahan. Secara grafis, nilai modulus Young dapat dihitung menggunakan metode offset, yaitu dengan menentukan daerah elastis berdasarkan perpotongan garis lurus yang dibentuk pada regangan 0,2% terhadap kurva tegangan-regangan. Bahan dengan nilai modulus Young yang besar secara relatif sulit untuk memanjang sehingga diperlukan tegangan yang sangat besar untuk menghasilkan deformasi. Perhitungan nilai modulus Young ini dilakukan dengan menggunakan metode dinamika molekul berbasis potensial Morse, dimana metode ini merupakan salah satu metode komputasi fisika yang umum digunakan untuk mensimulasikan pergerakan atom dan molekul dengan memecahkan solusi persamaan gerak Newton menggunakan fungsi potensial yang sesuai untuk bahan yang diteliti. Potensial Morse dipilih karena cocok digunakan untuk logam dalam fase padat. Dalam penelitian ini, dilakukan penentuan nilai parameter potensial Morse yang sesuai melalui proses fitting agar mendapatkan nilai modulus Young yang sesuai dengan data eksperimen, yaitu pada temperatur 300 K. Sistem dimodelkan dalam sebuah kotak simulasi dengan ukuran 30a×30a×30a. Logam nikel memiliki nilai modulus Young yang paling besar yaitu sebesar 209,2 GPa. Sedangkan untuk logam tembaga, perak, emas, dan aluminium diperoleh nilai modulus Young sebesar 110,8 GPa; 83,8 GPa; 79,2 GPa; dan 70,3 GPa. Berdasarkan hasil visualisasi menggunakan program OVITO, terlihat bahwa logam perak, emas, dan aluminium mengalami proses patah (fracture) di akhir simulasi. Hal itu ditunjukkan oleh kurva tegangan-regangan yang cenderung menurun menuju tegangan nol dengan asusmsi bahwa bahan telah kehilangan kemampuan untuk menerima beban. Sedangkan nikel dan tembaga secara umum memiliki tingkat keuletan dan kemampuan dalam mempertahankan diri terhadap deformasi yang lebih baik dibandingkan bahan logam lain, karena kurva tegangan-regangan yang dihasilkan tidak menuju nol. Selain pada temperatur 300 K, prediksi nilai modulus Young bahan dilakukan terhadap variasi temperatur yang berbeda untuk masing masing bahan dimana temperatur berpengaruh secara signifikan terhadap kekuatan dan keuletannya. Semakin tinggi temperatur bahan, akan menyebabkan nilai modulus Young semakin menurun. Logam nikel memiliki ketahanan terhadap temperatur yang baik. Hal itu dibuktikan dengan perubahan fase logam nikel yang mendekati titik lelehnya. Berbeda halnya dengan keempat bahan lain, yang mengalami perubahan fase jauh sebelum mencapai titik lelehnya. Ini menunjukkan, bahwa logam tembaga, perak, emas, dan aluminium memiliki ketahanan terhadap temperatur yang tidak sebaik nikel. Dalam kasus tersebut, juga dipengaruhi oleh ketepatan nilai parameter potensial Morse yang digunakan. Keberhasilan penelitian yang dilakukan, dapat ditinjau berdasarkan nilai modulus Young kelima bahan sesuai dengan hasil eksperimen yaitu dengan nilai diskrepansi yang kurang dari 2%. Selain itu, ketepatan pemilihan fungsi potensial interatomik berdasarkan parameter yang sesuai, menjadi faktor penting dalam memperoleh hasil yang tepat dan akurat, dimana dalam penelitian ini menggunakan potensial Morse yang cocok untuk material logam dalam fase padat.