...

Pengamatan Perubahan Grid Pattern pada Kristal Cair Nematik

by user

on
Category: Documents
1

views

Report

Comments

Transcript

Pengamatan Perubahan Grid Pattern pada Kristal Cair Nematik
20
Intan Rindu Kusumawardany / Pengamatan Perubahan Grid Pattern Pada Kristal Cair Nematik
Pengamatan Perubahan Grid Pattern pada Kristal Cair Nematik
Intan Rindu Kusumawardany1*, Dwiria Wahyuni2, Sri Hartini3, Yusril Yusuf1
1 Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Gadjah Mada
Sekip Utara PO BOX BLS. 21 Yogyakarta Indonesia 55281
2 Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Tanjungpura
Jl. Prof. Dr. H. Hadari Nawawi Pontianak Kalimantan Barat Indonesia 78124
3 Jurusan Pendidikan Ilmu Pengetahuan Alam, Fakultas Pendidikan, Universitas Lambung Mangkurat
Jl. Bigjen H. Hasan Basri Kayutangi Banjarmasin Kalimantan Selatan Indonesia 70123
[email protected]
Abstrak – Telah dilakukan pengamatan terhadap grid pattern (GP) pada sampel kristal cair nematik 4-methoxybenziledene-4-n-buthyl-aniline (MBBA) penjajaran planar dengan ketebalan 50µm dan 100µm. Pemberian medan listrik
eksternal pada kristal cair nematik menyebabkan arah orientasi director molekul kristal cair berubah. GP muncul ketika
sampel diberikan frekuensi tertentu dan tegangan yang melebihi tegangan ambang, VGP, dalam bentuk pencabangan
yang pendek yang terjadi akibat pergerakan yang konvektif. Pengamatan perubahan pola GP dilakukan secara visual
dengan menggunakan perangkat lunak ImageJ. Hasil pengamatan menunjukkan bahwa variasi frekuensi yang dikenakan
pada sampel memberikan perubahan bentuk pola yang terbentuk pada citra.
Kata kunci: kristal cair nematik, grid pattern, pengolahan citra
Abstract – We observed the grid pattern (GP) in planar alignment of 4-methoxy-benziledene-4-n-buthyl-aniline (MBBA)
nematic liquid crystal samples with 50µm and 100µm of thickness. When an external electric field induced into samples,
the director of liquid crystal molecules would changed. GP appeared when samples were applied by a certain frequency
and voltage exceeded a typical the threshold voltage, VGP, with a short width that caused by the convective flows.
Observation of GP dimensional changes had been made by using image processing with ImageJ software. The result
showed that the frequency was inversely proportional to the dimensions of the GP.
Key words: nematic liquid crystal, grid pattern, image processing
I. PENDAHULUAN
Kristal cair merupakan material yang memiliki
keteraturan arah seperti padatan (kristal) dan memiliki
sifat dapat bergerak bebas seperti cairan biasa. Orde
keteraturan molekul dalam kristal cair dipengaruhi oleh
bentuk anisotropik molekulnya. Kristal cair nematik
adalah kristal cair dengan orde orientasi (digambarkan
dengan director n) yang paling sederhana dan
merupakan jenis kristal cair yang paling umum dijumpai.
Sebagian besar molekulnya digambarkan dengan bentuk
seperti batang (rod-like shape) [1-3]. Untuk mempelajari
respon suatu kristal cair nematik terhadap medan
eksternal dapat dilakukan dengan cara menempatkan
kristal cair nematik ke dalam sebuah sel tipis yang terdiri
dari dua plat kaca berlapis elektroda (sumbu-x). Terdapat
dua tipe director di dalam sel, yaitu penjajaran planar
ketika director dalam keadaan sejajar elektroda (sumbux) dan penjajaran homeotropik ketika director tegak
lurus terhadap elektroda (sumbu-z) [3]. Lapisan kristal
cair nematik yang memiliki tetapan dielektrik
anisotropik negatif, seperti MBBA, dengan penjajaran
planar, akan menunjukkan pola garis yang teratur pada
tegangan ambang ketika sebuah medan DC atau AC
berfrekuensi rendah dikenakan pada sel kristal cair
namatik. Partikel ionik yang terkandung dalam kristal
cair nematik akan mengalami gerak periodik karena
pengaruh medan, sesuai dengan pola pergerakan
hidrodinamika. Pemberian medan listrik juga
menimbulkan modulasi pada orientasi director.
Modulasi director terjadi pada bidang-xz dan
membentuk sudut modulasi terhadap sumbu-x [1].
Fenomena ini dikenal sebagai elektro-hidrodinamika
(EHD). Pada mekanisme EHD, terdapat dua wilayah:
wilayah konduktif dan dielektrik yang dipisahkan oleh
frekuensi kritis tertentu, fc [1-3].
Berdasarkan kenaikan tegangan-frekuensi, dapat
diklasifikasikan pola-pola yang terbentuk dalam kristal
cair nematik penjajaran planar yaitu WD → FWD → GP
→ quasi-GP → DSM-like → DSM1 → DSM2, dengan
singkatan yang digunakan adalah sebagai berikut: WD;
Williams domain, FWD; fluctuating Williams domain,
GP; grid pattern, DSM; dynamic scattering mode. Pola
GP tebentuk pada daerah konduktif (f < fc). Bentuk kotak
GP berdeformasi secara bertahap dengan peningkatan
frekuensi [4].
II. METODE PENELITIAN/EKSPERIMEN
Kristal cair nematik 4-methoxy-benzilidene-4-buthylaniline (MBBA) diisikan ke dalam sel yang terbuat dari
plat kaca indium tin oxide (ITO) yang berfungsi sebagai
elektroda dan dilapisi dengan Polyvinyl Alcohol (PVA),
serta dilakukan proses rubbing untuk mendapatkan sel
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVII HFI Jateng & DIY, Solo, 23 Maret 2013
ISSN : 0853-0823
Intan Rindu Kusumawardany / Pengamatan Perubahan Grid Pattern Pada Kristal Cair Nematik
dengan penjajaran planar. Ketebalan sel sampel divariasi
menggunakan mylar spacer berukuran 50µm dan
100µm. Susunan alat dalam penelitian ini diperlihatkan
pada Gambar 1. Sel sampel diletakkan dalam hot stage
dan suhu diatur konstan pada (30±0.01)ºC. Pola yang
terbentuk diamati pada layar komputer melalui kamera
CCD yang terhubung pada mikroskop polarisasi. Pola
yang teramati adalah pada bidang-xy. Teganganfrekuensi yang dikenakan pada sampel dihasilkan oleh
function synthesizer-amplifier dan tegak lurus terhadap
elektroda. Frekuensi (f) dalam penelitian ini berada di
bawah frekuensi kritis, fc. Tegangan ambang GP terbaca
pada multimeter pada tiap variasi frekuensi. Citra GP
direkam menggunakan perangkat lunak Pixel View dan
pengolahan citra GP dengan perangkat lunak ImageJ.
Proses pengolahan citra menggunakan ImageJ adalah
untuk mengamati perubahan bentuk GP.
21
karena kemunculan GP pada tegangan yang lebih tinggi
merupakan kelanjutan dari proses GP yang terjadi pada
tegangan yang lebih rendah. Tegangan ambang
munculnya GP pada sampel dengan ketebalan 50µm dan
100µm nilainya tidak berbeda jauh dan cenderung sama.
Gambar 2. Diagram fase V-f pada GP.
Gambar 1. Setup alat.
III. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pola konvektif GP dapat diamati ketika sampel
dikenakan medan eksternal berupa tegangan listrik
sebesar tegangan ambang tertentu. GP terbentuk setelah
pembentukan mode twist pada pola fluctuating Williams
domain (FWD) berhenti. Peningkatan tegangan yang
dikenakan pada sampel secara terus menerus akan
menimbulkan GP ketika mencapai suatu nilai tegangan
ambang VGP. GP berbentuk kotak-kotak. Lebar dari kisi
percabangan yang terjadi adalah pendek-pendek. Kisi
pada GP memiliki bagian pembentuk kisi yang
menyerupai garis, sedangkan bagian pusatnya seperti
titik berwarna lebih terang. Bentuk GP menyerupai
bentuk persegi panjang, dimana bagian yang pendek
berada sejajar dengan arah director atau sumbu-x dan
bagian yang lebih panjang sejajar dengan sumbu-y
sampel. Bagian antara kisi garis dan pusat berwarna
gelap. Lebar kisi yang terbentuk dipengaruhi oleh
ketebalan sampel. GP memiliki perilaku yang lebih
stasioner daripada pola FWD [4].
Pada sampel 50µm GP diamati pada variasi frekuensi
mulai dari 60Hz sampai dengan 130Hz sedangkan pada
sampel 100µm terjadi pada variasi frekuensi mulai dari
50Hz sampai dengan 120Hz. Bentuk diagram fase
hubungan frekuensi dengan tegangan ambang (VGP)
untuk kawasan konduktif yang diperoleh dari penelitian
ditunjukkan oleh Gambar 2. Semakin tinggi frekuensi
yang diberikan kepada kristal cair nematik maka
semakin tinggi juga nilai tegangan ambang munculnya
GP, tetapi hubungan tersebut tidak linier. Hal ini terjadi
Grid pattern pada sampel kristal cair nematik planar
berbentuk kotak dan menyerupai barisan yang rapi. Pola
ini melakukan pergerakan secara terus menerus ketika
ada medan listrik yang mengenainya. Semakin besar
nilai frekuensi yang diberikan, semakin besar pula
tegangan yang diperoleh, tetapi kotak GP yang terbentuk
semakin kecil daripada sebelumnya atau dengan kata lain
dimensi GP berubah. GP mengalami nilai lebar yang
mengecil, tetapi nilai panjang yang membesar. Kotak
yang mula-mula berbentuk persegi, setelah diberikan
frekuensi yang lebih tinggi lama-kelamaan menjadi
bentuk persegi panjang, dengan panjang di sumbu-y dan
lebar di sumbu-x. Pada Gambar 3 ditampilkan GP untuk
masing-masing ketebalan sampel. Dari Gambar 3 dapat
dibandingkan bentuk dan ukuran GP pada sampel
dengan ketebalan 50µm dan 100µm. Sampel dengan
ketebalan 50µm memiliki kisi yang lebih kecil
dibandingkan dengan kisi pada sampel 100µm sehingga
disimpulkan bahwa ketebalan sampel kristal cair nematik
mempengaruhi besar kisi dalam GP. Pola kotak GP lebih
mudah diamati pada frekuensi rendah karena pada
frekuensi yang lebih tinggi (f >150Hz) GP terbentuk
sangat cepat sehingga sangat mudah hilang.
Perubahan dimensi GP dari persegi menjadi persegi
panjang disebabkan oleh gerakan konvektif dalam GP
yang berlangsung secara terus menerus. Perubahan ini
terjadi baik pada sampel 50µm maupun 100µm. Hal ini
mengartikan bahwa pada kristal cair nematik dengan
penjajaran planar selalu terjadi perubahan dimensi GP.
Perubahan yang sulit diamati adalah perubahan panjang
(di sumbu-y) dikarenakan garis-garis kisi tidak nampak
dengan jelas, ada pula yang hilang atau tidak mucul.
Semakin tinggi frekuensi yang diberikan terhadap kristal
cair nematik, semakin sulit didapatkan GP yang baik dan
benar-benar membentuk kotak. Yang terlihat jelas hanya
titik tengah berwarna terang dan garis kisi yang semakin
tipis atau hampir menghilang. Pada frekuensi tinggi,
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVII HFI Jateng & DIY, Solo, 23 Maret 2013
ISSN : 0853-0823
22
Intan Rindu Kusumawardany / Pengamatan Perubahan Grid Pattern Pada Kristal Cair Nematik
konveksi pada GP terjadi semakin cepat sehingga
menyebabkan kisinya hampir menghilang. GP terjadi
pada kawasan konduktif yaitu kawasan frekuensi rendah
(f > fc) sehingga hanya pada kawasan tersebut GP bisa
terbentuk dengan baik.
Gambar 3. Skematik perubahan bentuk GP.
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVII HFI Jateng & DIY, Solo, 23 Maret 2013
ISSN : 0853-0823
Intan Rindu Kusumawardany / Pengamatan Perubahan Grid Pattern Pada Kristal Cair Nematik
IV. KESIMPULAN
Bentuk GP menyerupai persegi panjang, dimana kisi
yang pendek berada sejajar dengan arah direktor atau
sumbu-x dan kisi yang lebih panjang sejajar dengan
sumbu-y sampel. Diagram fase hubungan antara
tegangan ambang sebagai fungsi frekuensi pola
konvektif GP berbentuk tidak linier. Semakin tinggi nilai
frekuensi medan listrik maka semakin tinggi pula
tegangan ambang terbentuknya GP, dimana ketebalan
lapisan kristal cair nematik tidak berpengaruh besar
terhadap tegangan ambang munculnya GP. Perubahan
bentuk GP merupakan perubahan bentuk persegi menjadi
persegi panjang, dengan pemendekan di sumbu-x dan
pemanjangan di sumbu-y.
UCAPAN TERIMA KASIH
Penelitian ini didanai oleh Hibah Kompetensi DIKTI
dan Jurusan Fisika FMIPA UGM.
PUSTAKA
[1]
[2]
[3]
Chandrasekhar, S., Liquid Crystal, Clarendon Press,
Oxford, 1992.
de Gennes, P. G., dan Prost, J., The physics of Liquid
Crystal, Clarendon Press, Oxford, 1993.
Yusuf, Y., Prewavy Instabilities in Nematic Liquid
Crystal, Thesis, Faculty of Engineering, Kyushu
University, Fukuoka, 2002.
[4]
23
Hirakawa, K., dan Kai, S, 1977, Molecular Crystals and
Liquid Crystals, 40, 261 (1977).
TANYA JAWAB
Hendri W
? Apakah ada parameter kuantitif yang ditunjukkan dari
hasil pattern GP-nya? Scale bar dimunculkan.?
Intan Rindu K, UGM
√ Iya, sudah diukur. akan tetapi dalam paper ini belum
dimunculkan.
Galih Setyawan, UGM
? Apakah fenomena yang menarik pada Kristal cair
sehingga Kristal cair banyak dijadikan objek untuk
penelitian? Apakah Kristal cair terpengaruh oleh
perubahan suhu?
Intan Rindu K, UGM
√ Karena sifatnya yang dapat bergerak bebas seperti
cairan biasa, maka apabila diberi medan eksternal, akan
membentuk pola-pola yang bisa diaplikasikan untuk
penelitian selanjutnya.
Tidak berpengaruh dalam penelitian ini karena suhu
dibuat konstan.
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVII HFI Jateng & DIY, Solo, 23 Maret 2013
ISSN : 0853-0823
Fly UP