R Dawn¹, M Zzaman^1,2, F Faizal^3,4, C Kiran⁵, A Kumari¹, R Shahid², C Panatarani^3,4, IM Joni^3,4, VK Verma⁶, SK Sahoo⁷, K Amemiya⁸, VR Singh¹

Magnetisasi pada nanopartikel memiliki peran penting dalam berbagai aplikasi teknologi dan ilmiah, termasuk dalam bidang biomedis, pencitraan resonansi magnetik, dan penyimpanan data. Nanopartikel Fe₃O₄ yang dilapisi dengan silika adalah salah satu material yang sangat menarik karena kombinasi antara sifat magnetik dan kestabilan kimianya. Namun, asal-usul magnetisasi dalam material tersebut sering kali masih menjadi misteri, terutama dalam kaitannya dengan interaksi antara inti magnetik Fe₃O₄ dan lapisan silika di sekitarnya. Penelitian tersebut bertujuan untuk mengungkap mekanisme di balik magnetisasi dalam nanopartikel Fe₃O₄ yang dilapisi silika, dengan menggunakan teknik Soft X-ray Magnetic Circular Dichroism (XMCD), yang dikenal mampu memberikan wawasan mendalam tentang struktur magnetik dan elektronik pada tingkat atomik.

Fe₃O₄ atau magnetit merupakan salah satu oksida besi yang paling dikenal karena sifat magnetiknya yang kuat. Dalam bentuk nanopartikel, material tersebut memiliki karakteristik magnetik yang dapat diatur sesuai dengan kebutuhan aplikasi tertentu, seperti dalam pengobatan kanker melalui terapi hipertermia magnetik, atau dalam pengembangan sensor dan perangkat penyimpanan magnetik. Namun, ketika nanopartikel Fe₃O₄ dilapisi dengan silika, interaksi antara material magnetik dan lapisan non-magnetik dapat mengubah sifat-sifat magnetiknya. Silika, yang secara kimiawi stabil dan tidak memiliki sifat magnetik, sering digunakan sebagai lapisan pelindung untuk mencegah oksidasi dan aglomerasi nanopartikel, serta untuk meningkatkan biokompatibilitasnya. Meski demikian, pemahaman yang jelas tentang bagaimana lapisan silika mempengaruhi magnetisasi inti Fe₃O₄ masih belum sepenuhnya terungkap.

Dalam penelitian tersebut, peneliti melakukan serangkaian eksperimen menggunakan XMCD untuk mempelajari asal-usul magnetisasi dalam nanopartikel Fe₃O₄ yang dilapisi silika. Teknik XMCD adalah alat yang sangat berguna dalam mengeksplorasi sifat magnetik material pada skala nanometer, karena mampu mendeteksi perubahan dalam struktur orbital dan spin elektron akibat interaksi magnetik. Dengan menggunakan sinar-X berenergi rendah yang dipolarisasi sirkular, XMCD dapat mengukur distribusi magnetisasi dalam material dengan resolusi spasial yang tinggi, memungkinkan identifikasi pengaruh lapisan silika terhadap inti Fe₃O₄.

Hasil dari eksperimen tersebut menunjukkan bahwa lapisan silika tidak hanya bertindak sebagai pelindung pasif bagi nanopartikel Fe₃O₄, tetapi juga memainkan peran aktif dalam memodulasi sifat magnetiknya. XMCD mengungkapkan adanya perubahan signifikan dalam distribusi spin elektron pada permukaan nanopartikel, yang diinduksi oleh lapisan silika. Fenomena tersebut disebabkan oleh interaksi antara orbital 3d besi pada permukaan Fe₃O₄ dengan atom-atom oksigen dalam lapisan silika, yang mengarah pada hibridisasi orbital dan modifikasi energi pertukaran magnetik. Dengan kata lain, lapisan silika menciptakan kondisi baru bagi elektron pada permukaan nanopartikel, yang pada gilirannya mempengaruhi bagaimana momen magnetik terbentuk dan terdistribusi.

Selain itu, data yang diperoleh dari spektrum XMCD menunjukkan bahwa meskipun lapisan silika mengurangi total magnetisasi dari nanopartikel, spektrum XMCD juga memperkenalkan anisotropi magnetik baru yang membuat sistem lebih stabil terhadap fluktuasi termal. Hal tersebut menunjukkan bahwa lapisan silika membantu nanopartikel Fe₃O₄ mempertahankan sifat magnetiknya pada suhu yang lebih tinggi, yang sangat penting untuk aplikasi dalam kondisi lingkungan yang berubah-ubah.

Penelit juga melakukan analisis mendalam terhadap struktur domain magnetik dalam nanopartikel Fe₃O₄ berlapis silika menggunakan mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi (HRTEM) dan spektroskopi magnetik. Analisis tersebut menunjukkan bahwa perubahan dalam magnetisasi tidak hanya terbatas pada permukaan nanopartikel, tetapi juga mempengaruhi struktur domain magnetik di dalam inti Fe₃O₄. Temuan tersebut memperkuat hipotesis bahwa lapisan silika berinteraksi secara kuat dengan inti magnetik, bukan hanya melalui pengaruh mekanis, tetapi juga melalui modifikasi interaksi elektronik dan magnetik di perbatasan antara silika dan Fe₃O₄.

Pada skala yang lebih besar, hasil penelitian tersebut memberikan wawasan baru tentang desain dan rekayasa material magnetik nano-komposit. Dengan memahami bagaimana lapisan non-magnetik seperti silika dapat digunakan untuk memodulasi sifat-sifat magnetik nanopartikel, para ilmuwan dapat mengembangkan material dengan sifat yang lebih disesuaikan untuk aplikasi spesifik. Misalnya, dalam pengembangan perangkat biomedis, nanopartikel yang memiliki stabilitas magnetik tinggi dan kemampuan untuk mempertahankan magnetisasi dalam medan magnet rendah dapat dikembangkan untuk meningkatkan efisiensi terapi berbasis magnetik.

Selain itu, penemuan tersebut juga memiliki implikasi dalam pengembangan material penyimpanan magnetik generasi berikutnya. Dengan memanfaatkan teknik lapisan tipis non-magnetik untuk mengatur distribusi magnetisasi dan anisotropi magnetik, dimungkinkan untuk menciptakan media penyimpanan dengan densitas data yang lebih tinggi dan keandalan yang lebih baik. Penelitian tersebut tidak hanya memperdalam pemahaman kita tentang magnetisasi dalam nanopartikel Fe₃O₄ berlapis silika, tetapi juga membuka jalan bagi aplikasi praktis dalam berbagai bidang teknologi.

Penelitian tersebut juga menyoroti pentingnya penggunaan teknik karakterisasi canggih seperti XMCD dalam memahami sifat-sifat material pada skala nanometer. Dengan kemampuannya untuk mendeteksi perubahan halus dalam struktur elektronik dan magnetik, XMCD memberikan gambaran yang lebih lengkap tentang bagaimana interaksi antar atom dalam material nano-komposit mempengaruhi sifat makroskopisnya. Hal tersebut sangat relevan dalam konteks material nanoteknologi, di mana sifat-sifat fisik sering kali sangat bergantung pada efek permukaan dan interaksi antar lapisan.

Di sisi lain, pemahaman tentang pengaruh lapisan silika terhadap magnetisasi juga dapat diintegrasikan dalam strategi rekayasa material baru yang melibatkan kombinasi antara lapisan magnetik dan non-magnetik untuk mencapai sifat magnetik yang diinginkan. Misalnya, pengembangan magneto-dielektrik yang mampu menggabungkan sifat magnetik dan dielektrik dalam satu material dapat memperoleh manfaat dari wawasan yang dihasilkan oleh penelitian tersebut. Demikian juga, dalam konteks sensor magnetik, pengetahuan tentang bagaimana lapisan silika mempengaruhi respon magnetik dapat digunakan untuk merancang sensor yang lebih sensitif dan spesifik.

Secara keseluruhan, penelitian tersebut menyajikan pandangan yang komprehensif tentang asal-usul magnetisasi dalam nanopartikel Fe₃O₄ yang dilapisi silika, serta implikasi dari temuan tersebut dalam konteks aplikasi teknologi. Dengan menggunakan teknik XMCD, penulis berhasil mengidentifikasi peran aktif lapisan silika dalam memodulasi sifat-sifat magnetik nanopartikel, memberikan wawasan baru yang berpotensi mendorong inovasi dalam berbagai bidang ilmu dan teknologi. Penelitian tersebut tidak hanya memberikan kontribusi signifikan terhadap pemahaman kita tentang material nano-komposit, tetapi juga membuka pintu bagi pengembangan material baru yang lebih canggih dan disesuaikan untuk kebutuhan spesifik.

Ke depan, hasil penelitian tersebut diharapkan dapat menjadi dasar bagi studi lebih lanjut yang mengeksplorasi efek dari lapisan-lapisan non-magnetik lainnya pada sifat-sifat magnetik nanopartikel, serta penerapan prinsip-prinsip tersebut dalam skala yang lebih luas dalam industri dan teknologi. Dengan terus memperdalam pemahaman kita tentang interaksi antara lapisan pelindung dan inti magnetik, akan lebih banyak lagi terobosan yang dapat dicapai dalam pengembangan material yang lebih efisien dan berkelanjutan untuk berbagai aplikasi masa depan.

DOI: Origin of Magnetization in Silica-coated Fe3O4 Nanoparticles Revealed by Soft X-ray Magnetic Circular Dichroism

Editor:     Rezekinta Syahputra Sembiring