PENGANTAR ILMU DAN TEKNOLOGI MATERIAL

Adakalanya, akan lebih memudahkan apabila membagi disiplin ilmu dan terknologi material ke dalam dua sub divisi, yaitu ilmu material (material science) pada satu sisi, dan teknologi material (material engineering) pada sisi yang lain. Bidang keilmuan material (material science) mencakup investigasi mengenai keberadaan hubungan antara struktur material dengan sifatnya. Sedangkan, teknologi material (material engineering), dengan didasarkan pada hubungan antara struktur material dengan sifatnya tersebut, merupakan upaya merancang dan memanipulasi struktur material guna menghasilkan suatu produk material dengan sifat – sifat tertentu.

Apabila dilihat dari perspektif fungsional, secara sederhana, peranan ilmuwan material adalah untuk mengembangkan dan mensintesa material – material baru, sedangkan teknisi material punya andil dalam menciptakan produk atau sistem baru dengan menggunakan material yang telah tersedia atau mengembangkan teknik – teknik pegolahan material. Hal yang kemudian juga menjadi bagian penting dari bidang ini adalah istilah “struktur” dan “sifat material”.

“Struktur” material bisa memiliki berbagai definisi. Akan tetapi, pada dasarnya, “strukktur” selalu berhubungan dengan susunan komponen – komponen internal material. Dalam konteks ini, pengertian struktur akan berbeda – beda tergantung pada level ukuran komponen material yang diacu. Struktur pada level sub atomik, dikenalkan sebagai berbagai karakteristik elektron di dalam suatu atom secara individu, serta interaksi dengan nukleusnya (pusat atom). Pada level atomik, struktur dijelaskan sebagai atom – atom atau molekul – molekul yang membentuk kelompok secara relatif antara satu dengan yang lainnya. Pada tingkatan pengertian struktur yang lebih tinggi, struktur merupakan pengelompokan dari kelompok atom – atom atau molekul – molekul, dalam skala besar yang kemudian disebut sebagai skala mikroskopis. Kegiatan – kegiatan struktur material pada level ini dapat diamati dengan bantuan mikroskop. Selanjutnya, ketika struktur dapat diamati secara langsung oleh mata telanjang (visual), maka tingkatan struktur ini disebut struktur makroskopis.

Pengertian “sifat material” dapat dijelaskan melalui hubungan antara material dengan lingkungan di sekitarnya. Dalam suatu kegiatan aplikasi, semua material akan memberikan respon – respon tertentu terhadap suatu perlakuan eksternal yang diberikan. Misalnya, spesimen material yang diberikan suatu pembebanan akan mengalami deformasi (perubahan bentuk), sebuah material yang permukaannya dipoles akan mampu memantulkan cahaya, material logam yang ditempatkan pada lingkungan yang korosif dalam jangka waktu tertentu akan megalami korosi. Sebuah “sifat material” menggambarkan besarnya tanggapan material terhadap perlakuan spesifik yang dibebankan. Pada umumnya, pengertian sifat material kemudian dibuat independen terhadap faktor dimensi (ukuran dan bentuk).

Sifat – sifat material tersebut kemudian dikelompokkan ke dalam enam kategori berbeda, didasarkan jenis perlakuan yang diberikan. Ke enam kategori tersebut yaitu : sifat mekanik, elektrik, termal, magnetik, optik, dan deterioratif. Untuk masing – masing jenis sifat material ini terdapat sebuah tipe atau ciri karakteristik dari kemampuan material dalam memberikan respon terhadap sebuah rangsangan perlakuan. Sifat mekanik, mengacu pada terjadinya perubahan – perubahan bentuk material sebagai akibat adanya sebuah aplikasi pembebanan mekanik, misalnya ditunjukkan melalui nilai modulus elastisitas, kekutan tarik, dan lain sebagainya. Sifat elektrik, seperti misalnya konduktivitas atau konstanta dielektrik, media stimulusnya adalah medan listrik. Perilaku yang unik dari berbagai jenis material solid ketika mendapat rangsangan termal, dapat diukur misalnya melalui kapasitas panas atau konduktivitas termal. Sifat magnetik dapat dilihat dari respon material terhadap medan magnet. Pada sifat optik, stimulusnya dapat berupa elektromagnetik atau radiasi cahaya, dimana kemudian direpresentasikan sebagai nilai index refraksi (penghamburan) atau reflektivitas (pemantulan). Terakhir, sifat deterioratif mengacu kepada reaktivitas kimia material.

Sebagai tambahan terhadap istilah “strukur” dan “sifat” seperti yang dijelaskan di atas, terdapat dua istilah penting lainnya yang seringkali menjadi perbincangan dalam bidang ilmu dan teknologi material. Kedua istilah tersebut yaitu “proses” dan “performa”. Ke empat istilah ini (struktur, sifat, proses dan performa) kemudian membentuk suatu kesatuan hubungan. Struktur suatu material yang terbentuk akan tergantung terhadap bagaimana material tersebut sebelumnya diproses. Struktur material yang terbentuk kemudian akan mempengaruhi sifat dari material. Performa material dalam suatu aplikasi merupakan suatu fungsi dari sifat – sifat material.

Proses → struktur → sifat → performa

Pada taraf aplikasi hampir semua ilmuwan dan teknisi, baik itu dari bidang permesinan, sipil, kimia, atau kelistrikan, pada suatu waktu akan selalu dihadapkan pada permasalahan perancangan yang melibatkan pertimbangan terhadap material. Sebagai contoh, misalnya dalam suatu perancangan sistim transmisi gear, struktur bangunan, komponen – komponen pada perlengkapan pengolahan minyak bumi, atau pada sebuah chip integrated circuit (IC). Tentu saja, ilmuwan dan teknologi material merupakan spesialis dalam kasus ini.

Seringkali, permasalahan material biasanya merupakan upaya menentukan material mana yang paling tepat dalam suatu aplikasi, diantara sekian banyak variasi material yang tersedia. Terdapat beberapa kriteria yang kemudian mendasari pengambilan keputusan. Pertama kondisi aplikasi harus bisa dikenal, yang kemudian akan diketahui material dengan sifat seperti apa yang akan dibutuhkan dalam aplikasi tersebut. Dalam suatu peristiwa yang sangat jarang terjadi, material akan memiliki kombinasi sifat yang maksimum atau ideal. Hal ini memungkinkan pentingnya untuk mempertukarkan sifat yang satu dengan sifat yang lain untuk mendapatkan sifat terbaik. Contoh klasik dari permasalahan ini adalah pada pembahasan tentang kekuatan dan keuletan. Pada sebagaian besar kasus, material yang memiliki kekuatan (strength) yang tinggi akan memiliki keuletan (ductility) yang rendah, begitu pula sebaliknya.

Kriteria kedua adalah kemungkinan adanya sejumlah reaksi kimia yang terjadi selama kegiatan aplikasi berlangsung. Sebagai contoh, pengurangan kekuatan dan masa pemakaian secara signifikan perlengkapan – perlengkapan mesin bisa disebabkan karena pemakaian pada temperatur yang terlampau tinggi dan lingkungan yang korosif.

Kriteria terakhir yang tidak kalah penting yaitu pertimbangan ekonomi. Seringkali akan muncul pertanyaan mengenai berapa kemungkian biaya akhir yang dibutuhkan. Sebuah material barangkali akan memenuhi secaara ideal dari sisi karakteristik, namun memiliki biaya pengadaan yang terlampau mahal.