ZENOSPHERE

science, philosophy, and cultural menagerie

Physical Oddities: Ferrofluida

Di bawah ini adalah sebuah video karya seni instalasi. Pembuatnya adalah ibu Sachiko Kodama, yang kebetulan juga associate professor di UEC Tokyo.

“Morpho Tower / Two Standing Spirals” by Sachiko Kodama, 2007

Sebuah tunggul metalik dikelilingi oleh cairan berwarna hitam. Meskipun demikian cairan hitam itu kemudian mengumpul, menggeliat, membentuk duri — hingga akhirnya berputar-putar bagai roda gigi.

Sekilas atraksinya keren, meskipun begitu seram juga melihatnya. Seolah-olah cairan hitamnya hidup! Mengingatkan pada Venom di film Spider-Man 3

Sayangnya, video di atas bukanlah bukti keberadaan alien. Cairan hitam yang sudah kita lihat itu berasal dari bumi, dan dibuat oleh ilmuwan di laboratorium.😀 Namanya adalah ferrofluid.

Apa itu ferrofluid, akan segera kita bahas. Meskipun begitu petunjuk terbesar terletak pada namanya. Istilah ferrofluid berasal dari gabungan kata “ferromagnetic” + “fluid”, kurang lebih berarti “fluida yang dapat dipengaruhi magnet”.

[img] ferrofluid + magnet

Eksperimen: ferrofluid diletakkan di atas magnet. Bentuknya mirip seperti landak… :3

(image credit: Wikimedia Commons)

 
Sekilas Pengantar: Apa itu Ferrofluid?
 

Sewaktu di bangku sekolah dulu, kita belajar tentang magnet dan medan magnet. Apabila sebatang magnet diletakkan dekat serbuk besi, maka serbuk besinya akan mengumpul dan membentuk pola.

[img] magnet dan serbuk besi

(via Ask A Mathematician/Physicist)

Ditinjau secara fisika, serbuk-serbuk besi dapat bergerak mengikuti medan karena materialnya bersifat ferromagnetik, yaitu dapat ditarik oleh magnet. Dengan demikian, ketika terdapat medan magnet, maka mereka akan bergerak mengikuti alurnya. (istilah bahasa Indonesia: “garis-garis gaya magnet”)

Namun perlu dicatat bahwa besi bukanlah satu-satunya material ferromagnetik. Ada juga beberapa logam lain yang bersifat ferromagnetik: sebagai contoh nikel dan kobalt, atau senyawa kromium dioksida.

Nah, sekarang kita masuk bahasan tentang larutan.

Di dunia sehari-hari kita akrab dengan susu bubuk. Apabila dicampur air panas dan diaduk dia akan larut, menjadi “susu cair” yang bisa diminum. Biarpun tampak berbeda tetapi susu bubuk dan cair mempunyai esensi yang sama: nutrisinya sama, kandungan kalorinya sama, rasanya juga mirip. Yang berbeda hanya bentuknya, yang satu padat sementara yang lain cair. (atau lebih tepatnya koloid)

Berangkat dari ilustrasi di atas, para ahli kemudian mendapat ide: bagaimana kalau kita larutkan serbuk besi dalam cairan? Barangkali bisa jadi seperti susu bubuk, sifatnya sama tapi berbentuk cair!😀

Sebagaimana bisa ditebak, demikianlah (kurang lebih) logika pembuatan ferrofluid. Pada esensinya dia adalah larutan serbuk besi — atau secara umumnya, larutan bubuk apapun yang bersifat ferromagnetik. Adanya gumpalan bubuk dalam larutan membuat larutan bisa digerakkan/dimanipulasi bentuknya oleh medan magnet. Baik itu medannya statis (magnet batang) ataupun dinamis (diatur secara elektromagnet).

 
Rekayasa Fluida Magnetik
 

Uniknya, biarpun konsepnya sama, membuat ferrofluid tidaklah semudah melarutkan susu bubuk. Ada beberapa detail yang harus diperhatikan. Dua yang fundamental bisa diringkas sebagai berikut.

Yang pertama masalah materi. Kita tahu bahwa dibanding susu bubuk serbuk besi relatif berat. Oleh karena itu pelarutnya tidak cukup dengan air, melainkan harus bermassa jenis tinggi. (misalnya dengan minyak sayur/minyak sintesis laboratorium)

Yang kedua terkait penggumpalan. Bagaimana caranya membuat serbuk besi tetap merata dalam larutan, dan tidak menggumpal seperti ampas kopi/endapan susu?

Untuk menyiasatinya para ahli kemudian menambahkan sebuah zat yang disebut surfaktan. Sebuah surfaktan mempunyai kelebihan, yaitu dapat “mengapung” di sekitar serbuk besi, mencegah mereka saling menempel satu sama lain. Dengan cara ini ferrofluid dapat dicegah terpisah menjadi ampas dan minyak.

[img] diagram surfaktan

Ilustrasi: surfaktan (8 bulatan kecil) mengelilingi serbuk besi (bulatan besar)

(diadaptasi dari Wikimedia Commons)

Mungkin sampai di sini timbul pertanyaan, bagaimana cara membuat ferrofluid? Jawabannya… tidak tahu, soalnya bukan bidang saya.😛 Lebih baik ditanya ke yang orang kimia atau teknik kimia. Sekarang saya mau membahas aspeknya yang lebih fisika, yaitu bentuk ferrofluid di bawah pengaruh medan magnet.

 
Mengapa Bentuknya Berduri?
 

Sebagaimana bisa dilihat dalam video di awal, dan foto di bawahnya, ferrofluid punya kecenderungan unik, yaitu mempunyai bentuk berduri. Pertanyaannya adalah: mengapa?

Soal itu ada penjelasan fisikanya. Di atas kita sudah melihat serbuk besi yang diletakkan di dekat magnet, meskipun begitu supaya mudah berikut ini saya tampilkan lagi gambarnya.

[img] magnet dan serbuk besi

(via Ask A Mathematician/Physicist)

Perhatikan bahwa di kedua kutub serbuk besi menunjukkan pola “menyembur”, garis-garis menyebar ke segala arah. Pola ini terjadi di bidang dua dimensi.

Nah, khusus untuk ferrofluid, dia mengikuti medan magnet di bidang tiga dimensi. Oleh karena itu bentuknya juga ikut menyembur. Namun adanya tegangan permukaan cairan membuat dia terpaku: semakin ke atas akan semakin mengerucut, namun tak bisa lepas. Akhirnya terbentuk pola yang mirip landak.

[img] ferrofluid + garis-garis gaya magnet

Aha!

(diadaptasi dari Wikimedia Commons: [1], [2])

Adapun dalam video seni instalasi, pola berduri dapat bergerak, karena medannya dimanipulasi secara elektromagnetik. Meskipun demikian intinya sama. Apabila medan magnetnya statis maka hasilnya juga akan statis. (i.e. seperti foto ilustrasi)

 
Getting Funky with Ferrofluid
 

Meninjau bentuknya yang dapat dimanipulasi, wajar jika orang — baik ahli fisika maupun pehobi — senang bermain-main dengannya. Bahkan ada geek shop yang menjual paket eksperimen ferrofluid (!). Beberapa videonya di bawah ini.

Ada yang memanipulasi ferrofluid berbentuk pita…

Diletakkan dalam botol…

Atau pada dasarnya, sekadar berbuat iseng. Pencet-pencet, putar-putar, dan sebagainya. Kelihatannya lucu juga.😆

Adapun di bidang praktis sudah ada beberapa penerapan ferrofluid. Mulai dari motor listrik, hard disk, hingga sebagai bearing mengatur aliran dalam pipa. Walaupun (sekilas) terdengar membosankan dibandingkan video-video di atas, namun secara teknik merupakan kemajuan yang mumpuni. ^^b

Meskipun demikian, setidaknya bagi saya, yang lebih menarik daripada penerapan adalah cara berpikir mengikuti hukum alam. Dimulai dari hal yang sederhana. Kita punya serbuk besi, mau diapakan enaknya? Dan tahu-tahu, boom — larutan yang bisa bergerak tanpa disentuh!😀 Yang semacam ini agak susah untuk dijelaskan. Kadang dari penemuan sederhana timbul sebentuk rasa kagum.

Sebagaimana ditulis dalam posting Efek Meissner beberapa waktu lalu, alam semesta itu bisa aneh, lucu, dan mengejutkan juga. Tinggal bagaimana kitanya mencari tahu.😉

 

 
——

Pustaka:

 
Boudouvis A.G., Puchalla J.L., & Scriven, L.E. (1988). Shape Instabilities of Captive Ferrofluid Drops in Magnetic Field: Routes to Labyrinthine Pattern Formation. Journal of Colloid and Interface Science 124(2), 688-690

Odenbach, S. (2009). Colloidal Magnetic Fluids: Basics, Development and Application of Ferrofluids (Lecture Notes in Physics 763). Berlin: Springer. doi:10.1007/978-3-540-85387-9

Posting komentar. Apabila tidak muncul, ada kemungkinan tersaring filter spam. Harap tunggu pemilik blog untuk mengecek dan melepaskan.

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s

%d blogger menyukai ini: