Para peneliti di Queen Mary University of London telah memecahkan kode di balik stabilitas termal cordierite yang luar biasa, suatu kualitas yang membuatnya sangat diperlukan dalam aplikasi suhu tinggi.
Dengan menggunakan simulasi dinamika molekuler, mereka telah mengungkap interaksi kekuatan yang rumit, memberikan wawasan berharga yang dapat mengarah pada pengembangan material canggih dengan sifat termal yang disesuaikan.
Mengungkap Rahasia Cordierite
Cordierite, mineral menarik yang terkenal karena perannya dalam batu pizza tahan panas, memiliki kemampuan unik untuk mempertahankan ukurannya bahkan di bawah perubahan suhu yang ekstrim. Properti ini membuatnya sangat diperlukan dalam aplikasi mulai dari konverter katalitik otomotif hingga proses industri bersuhu tinggi. Meskipun digunakan secara luas, alasan pasti di balik perilaku termal cordierite yang luar biasa telah lama menjadi misteri.
Kini, sebuah studi inovatif dari para peneliti di Queen Mary University of London, diterbitkan hari ini (10 Januari) di Urusanmenawarkan penjelasan mendalam pertama. Penemuan ini dapat merevolusi desain dan pengembangan material canggih.
“Masyarakat modern menuntut material yang menunjukkan perubahan dimensi minimal dengan fluktuasi suhu, tidak seperti kebanyakan material yang mengembang dan menyusut secara signifikan,” jelas Profesor Martin Dove, peneliti utama dan Profesor Materi dan Material Terkondensasi di Queen Mary University of London. “Contoh bahan tersebut termasuk Pyrex, yang digunakan untuk piring yang aman untuk oven, dan kaca-keramik yang digunakan untuk kompor memasak.”
Apa yang membedakan cordierite adalah pola ekspansi termalnya yang tidak biasa: ia menunjukkan ekspansi positif yang rendah di sepanjang dua sumbu tegak lurus dan ekspansi negatif di sepanjang sumbu ketiga. Kombinasi langka ini memberikan stabilitas termal cordierite yang tak tertandingi, sehingga penting untuk aplikasi yang mengutamakan ukuran dan bentuk yang presisi. Namun, hingga saat ini, mekanisme di balik perilaku tersebut masih belum jelas.
Teknik Simulasi Tingkat Lanjut
Untuk mengatasi hal ini, tim peneliti menggunakan simulasi dinamika kisi dan dinamika molekuler yang canggih, memanfaatkan medan gaya yang dapat ditransfer untuk memodelkan struktur atom cordierite dalam berbagai kondisi termal. Simulasi tersebut secara akurat mereproduksi data eksperimen, memberikan wawasan tentang perilaku mineral pada suhu rendah dan tinggi.
“Penelitian kami menunjukkan bahwa anomali ekspansi termal cordierite berasal dari interaksi yang mengejutkan antara getaran atom dan elastisitas,” kata Profesor Dove.
Pada suhu yang lebih rendah, para peneliti mengamati bahwa getaran frekuensi rendah mendukung ekspansi termal negatif (NTE) di ketiga sumbu. Pada suhu yang lebih tinggi, getaran dengan frekuensi lebih tinggi mendominasi, sehingga menghasilkan ekspansi positif yang lebih khas. Yang terpenting, kontribusi ini diimbangi oleh sifat elastis material, yang bertindak seperti engsel tiga dimensi, yang secara efektif menghilangkan banyak efek termal.
“Mekanisme pembatalan ini menjelaskan mengapa cordierite menunjukkan ekspansi positif kecil di dua arah dan ekspansi negatif kecil di arah ketiga. Ini adalah hasil yang tidak terduga dan menantang pemahaman konvensional di bidang ini,” tambah Profesor Dove.
Implikasi untuk Desain Material
Temuan ini membuka jalan baru untuk penemuan dan desain material dengan sifat termal yang disesuaikan. Metodologi yang dikembangkan dalam penelitian ini, menggabungkan simulasi getaran atom dengan model elastisitas, dapat langsung diterapkan pada bahan anisotropik lainnya, menawarkan pendekatan hemat biaya untuk menyaring kandidat potensial untuk aplikasi spesifik.
“Bahan anisotropik seperti cordierite memiliki potensi besar untuk mengembangkan material berkinerja tinggi dengan perilaku termal yang unik,” kata Profesor Dove. “Pendekatan kami dapat dengan cepat memprediksi sifat-sifat ini, sehingga secara signifikan mengurangi ketergantungan pada prosedur eksperimental yang mahal dan memakan waktu.”
Studi ini juga menggarisbawahi pentingnya menantang asumsi yang sudah ada. “Awalnya, saya ragu dengan hasilnya,” Profesor Dove mengakui. “Data awal menunjukkan perilaku ekspansi yang seragam pada suhu tinggi dan rendah, namun hasil akhir menunjukkan adanya keseimbangan kekuatan yang rumit. Itu adalah momen kebetulan ilmiah.”
Kesimpulan dan Arah Masa Depan
Cordierite termasuk dalam keluarga mineral silikat dengan sifat termal yang menjanjikan. Memahami perilakunya membuka jalan bagi inovasi di berbagai bidang, termasuk teknik otomotif, elektronik, dan material yang digunakan di lingkungan ekstrem. Studi ini juga berkontribusi pada semakin banyaknya penelitian mengenai ekspansi termal negatif dalam sistem anisotropik – sebuah bidang yang secara historis kurang dieksplorasi.
Penelitian ini menandai kemajuan signifikan dalam studi bahan anisotropik dan perilaku termalnya. Dengan metodologi yang sudah ada, tim berencana untuk menyelidiki mineral silikat lainnya dan memperluas temuan mereka ke bahan sintetis. “Kemungkinannya sangat besar,” kata Profesor Dove. “Pekerjaan ini memberikan peta jalan untuk mengungkap material baru yang dapat merevolusi industri yang bergantung pada stabilitas termal.”
Referensi: “Ekspansi termal anomali cordierite, Mg2Al4Ya5HAI18dipahami melalui simulasi kisi” oleh Martin T. Dove dan Li Li, 10 Januari 2025, Urusan.
DOI: 10.1016/j.matt.2024.101943
