By Dr. Eng. Ali Khumaeni, S.Si. M.E.

1. Curiosity robot

Pak Jokowi sempat mengatakan Negara lain sudah mikir ke luar angkasa, kita masih saling menghujat. Statement dari beliau ini sangat tepat untuk menggambarkan kondisi saat ini. Fakta terjadi pada bulan Agustus 2012, dunia dikejutkan dengan sebuah pencapaian keilmuan yang luar biasa. Untuk kali pertama, manusia berhasil membuat sebuah teknologi yang mampu mendarat di Planet Mars, yaitu Curiosity robot (ilustrasi ditunjukkan pada gambar 1). Robot yang diluncurkan oleh Nasa Mars Science Laboratory (MSL) ini mendarat di Planet Mars pada tanggal 6 Agustus 2012 setelah menempuh perjalanan lebih kurang 9 bulan dari bumi.

Curiosity robot berbahan bakar nuklir dilengkapi dengan berbagai teknologi mutahir spektroskopi dan imaging [1]. Robot ini mempunyai misi untuk mengeksplorasi potensi planet Mars sebagai kandidat tempat yang akan dihuni oleh manusia masa depan. Untuk itu, robot ini akan menganalisis potensi kandungan berbagai unsur dan molekul kimiawi yang dibutuhkan untuk kehidupan manusia. Salah satu dari unsur dan molekul yang dibutuhkan oleh manusia adalah air sebagai sumber kehidupan manusia.

Salah satu teknologi yang diinstal di dalam robot adalah laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) atau dikenal dengan nama spektroskopi plasma laser. Pada tahun 2013 atau setahun setelah pendaratan, metode ini telah berhasil menemukan potensi kandungan air di planet Mars. Debu dan tanah yang ada di planet mengandung unsur hidrogen dan oksigen sebagai bagian dari unsur air. Hasil eksplorasi ini telah dilaporkan di Jurnal Internasional Science [2]. Proses kerja dari LIBS di robot adalah sebagai berikut: laser yang ada di robot ditembakkan ke permukaan material baik tanah, batu, ataupun debu yang ada di planet mars. Akibat dari tembakan laser tersebut, sebuah plasma dengan ukuran diameter lebih kurang 1-3 mm dihasilkan di permukaan sampel. Plasma kemudian di image dengan menggunakan teropong yang ada di robot dan terakhir dikirim ke spektrometer untuk menghasilkan spektrum. Hasil spektrum kemudian dikirim ke bumi dengan jaringan komunikasi sehingga bisa dibaca oleh para peneliti yang ada di bumi.

Pada artikel ini akan dibahas secara singkat tentang teknologi spektroskopi plasma laser dan potensi aplikasinya di Indonesia.

2. Semua benda di alam semesta tersusun oleh atom

Sebelum kita belajar spektroskopi atom, kita akan sedikit membahas pengetahuan tentang atom. Atom merupakan penyusun terkecil dari materi. Batu besar yang ditumbuk akan menghasilkan kerikil-kerikil. Kerikil yang ditumbuk akan menjadi partikel-partikel yang kecil. Jika ditumbuk lagi akan menjadi partikel-partikel yang lebih lembut. Jika terus ditumbuk akan menjadi partikel-partikel yang sangat kecil dan akhirnya menjadi partikel yang lebih kecil lagi dan tidak bisa dipecah lagi yang disebut dengan atom. Atom terdiri atas proton dan neutron yang ada di inti atom dan elektron yang mengelilingi inti atom.

Ilmuwan Denmark, Niels Bohr, menawarkan dua aturan baru tentang elektron di dalam atom, yaitu a) elektron bisa mengorbit hanya pada jarak tertentu dari inti atom, dan b) atom memancarkan energi jika turun dari orbit energi yang lebih tinggi ke orbit energi yang lebih rendah. Atom mempunyai tingkatan-tingkatan energi yang berbeda antara atom satu dengan yang lain. Misalnya, atom hidrogen (H) mempunyai tingkatan energi yang berbeda dengan karbon (C).

Ilustrasi dari tingkat energi atom H ditunjukkan di gambar 2. N=1 biasa disebut dengan level energi dasar (ground state) dan N=2, N=3, dst disebut dengan level energi eksitasi (excited state). Elektron akan berkumpul di ground state pada suhuu 0 K dan jika tidak ada gangguan dari luar. Jika atom H diberikan energi tertentu dari luar, maka elektron dari N=1 akan naik (tereksitasi) ke level N=2 dan seterusnya dan akan turun kembali ke level N di bawahnya hingga N1 (dasar) dengan memancarkan radiasi (foton) yang mempunyai panjang gelombang tertentu.

3. Spektroskopi emisi atom

Spektroskopi merupakan salah satu cabang ilmu fisika yang mempelajari tentang spektrum yang dihasilkan oleh sebuah materi. Ilmu ini telah berkembang sejak abad ke-17. Cahaya putih (polikromatik) yang terdispersi menjadi spektrum warna (monokromatik) ketika dilewatkan sebuah prisma menjadi dasar dari cikal bakal lahirnya ilmu spektroskopi [3]. Untuk menguji kebenaran bahwa cahaya putih benar-benar terdispersi, silahkan melakukan percobaan dengan menggunakan prisma. Kalau tidak mempunyai prisma bagaimana? karena harga prisma quartz saat ini cukup mahal. Jangan khawatir, kita coba menggunakan akuarium plastik yang bening dan berbentuk kotak. Akuarium tersebut diisi air sampai 1/2 bagian atau penuh. Salah satu sudut akuarium bisa berfungsi sebagai prisma sebagaimana ditunjukkan pada gambar 3 di bawah ini,

Sekarang kita akan mempelajari spektroskopi emisi atom. Spektroskopi emisi atom merupakan spektroskopi yang didasarkan pada cahaya yang dipancarkan ketika elektron turun dari level energi tinggi ke energi yang lebih rendah. Sebagaimana telah dijelaskan di atas bahwa jika ada energi dari luar yang mengganggu atom, misalnya energi termal dari flame, arc atau spark yang dihasilkan dari tegangan tinggi, dan laser pulsa berdaya tinggi, maka elektron dalam atom akan naik dari ground state ke level energi eksitasi dikarenakan absorbsi dari energi yang mengganggu. Elektron kemudian turun kembali ke level ground state dengan memancarkan cahaya atau ilmuwan menyebutnya dengan foton. Nah, cahaya yang dipancarkan oleh atom tersebut mempunyai karakteristik khusus sesuai dengan atomnya. Misalnya, atom hidrogen (H) akan menghasilkan panjang gelombang 656, 486, 434 nm dll sebagaimana di perlihatkan pada gambar 1.

4. Spektroskopi emisi atom dengan menggunakan laser daya tinggi

Sekarang kita sudah memahami prinsip kerja dari spektroskopi emisi atom. Sebagaimana disebutkan di bagian 3, elektron bisa naik ke level energi yang lebih tinggi dan kemudian menghasilkan foton jika kita memberi energi dari luar. Salah satu energi yang bisa digunakan untuk mengeksitasi atom adalah dengan menembakkan laser pulsa berdaya tinggi (energi ~ 20 mJ) ke permukaan material sebagaimana diperlihatkan di gambar 4.

Jika sebuah laser pulsa (laser Nd:YAG, laser CO_2, dll) ditembakkan ke permukaan sebuah material, maka permukaan material akan terablasi dan atom serta molekul keluar  dari material dan sebuah cahaya plasma dihasilkan sebagaimana diperlihatkan di gambar 4. Cahaya plasma tersebut mempunyai temperatur yang sangat tinggi sekitar 10,000 K. Karena temperatur yang tinggi, atom yang ada di dalam plasma tersebut tereksitasi. Dengan menggunakan fiber optik (digunakan untuk mengirimkan cahaya plasma ke spektrometer) dan spektrometer (digunakan untuk mendispersi cahaya seperti cara kerja prisma) akan diperoleh spektrum hubungan panjang gelombang dan intensitas sebagaimana di gambar 4. Panjang gelombang ini merupakan cirri khas atom-atom yang teridentifikasi dari material yang ditembak. Dengan menggunakan teknik ini kita bisa mengetahui atom yang terkandung dalam material dalam waktu yang sangat cepat kurang dari 1 menit. Dengan karakteristik khusus yang dimiliki oleh atom, yaitu setiap atom mempunyai panjang gelombang yang berbeda satu sama lain, kita akan bisa mengetahui kandungan semua atom dalam semua material baik itu gas, padat, serbuk, dan cair.

5. Potensi aplikasi spektroskopi plasma laser di Indonesia

Berbeda dengan metode spektroskopi pada umumnya seperti x-ray diffraction (XRD), atomic absorption spectroscopy (AAS), dan spektroskopi nuklir, metode spektroskopi plasma laser mempunyai beberapa kelebihan. Diantaranya, tidak membutuhkan preparasi sampel (cukup dengan menembakkan laser di sampel), identifikasi unsur kimia bisa dilakukan dengan cepat (kurang dari 1 menit), harga instrumen yang relatif murah, dan bisa digunakan pada berbagai wujud sampel baik padat, gas, maupun cair. Oleh karena itu metode spektroskopi plasma laser sangat potensial sebagai metode untuk uji unsur kimia yang diaplikasikan di berbagai bidang keilmuan.

1. Di bidang eksplorasi minyak dan mineral, metode spektroskopi plasma laser bisa digunakan untuk mendeteksi kandungan minyak dan mineral dari bebatuan dan tanah. Jika sampel target sulit dijangkau oleh manusia, metode spektroskopi ini bisa diinstal di robot dan mengirim robot ke tempat tersebut.
2. Di bidang industri metal, metode spektroskopi bisa digunakan untuk uji kandungan secara online baik kandungan unsur utama maupun unsur pengotor.
3. Di bidang industri makanan, metode spektroskopi ini bisa digunakan untuk uji pengotor secara cepat.
4. Di bidang lingkungan, metode ini bisa digunakan untuk identifikasi kandungan logam berat baik di udara, tanah, maupun cairan.
5. Di bidang medis, metode ini bisa dimanfaatkan untuk diagnosis penyakit secara cepat dengan mengetahui karakteristik kandungan unsur pada jaringan yang terserang penyakit.

Referensi

1. https://id.wikipedia.org/wiki/Curiosity_(rover), diakses pada tanggal 14 Oktober 2017, jam 8.30
2. A. Leshin et al., Science 341, 1238397 (2013).
3. L. Pavia et al., Introduction to Spectroscopy, Brooks/Cole Cengage learning, Belmont, 2009.

Penulis

Dr. Eng. Ali Khumaeni, S.Si. M.E.

Departemen Fisika

Fakultas Sains dan Matematika

Universitas Diponegoro