Material: logam, keramik, polimer, dan nano

Sederhana · Fase A–C · SD kelas 1–6 (IPAS)

Benda di sekitar kita dibuat dari berbagai material:

• Logam (besi, tembaga, aluminium): kuat, mengilap, dan menghantarkan listrik. Kabel listrik dibuat dari tembaga.
• Kaca dan keramik: keras dan tahan panas, dibuat dari pasir (silika) dan tanah liat (kaolin).
• Plastik (polimer): ringan dan mudah dibentuk, seperti botol dan ember. Sayangnya plastik sulit terurai, jadi kurangi, pakai ulang, dan daur ulang.
• Karet dari getah pohon karet: lentur untuk ban dan sandal.

Karbon bisa menjadi grafit yang lunak di pensil atau intan yang sangat keras. Atomnya sama, susunannya berbeda!

Standar · Fase D · SMP kelas 7–9 (IPA)

Sifat material ditentukan oleh jenis ikatan dan susunan partikelnya:

• Logam: ikatan-logam dengan lautan elektron. Atom tersusun dalam kisi kristal (kristal) sehingga logam dapat ditempa. Paduan (campuran logam) lebih kuat: baja (Fe + C), kuningan (Cu + Zn), perunggu (Cu + Sn).
• Keramik: senyawa ion atau jaringan kovalen seperti alumina dan silikon karbida; keras, tahan panas, tetapi rapuh.
• Polimer: rantai panjang monomer. Termoplastik (PE, PET) dapat dilelehkan ulang; termoset (bakelit, melamin) tidak.
• Komposit: gabungan dua bahan atau lebih yang saling melengkapi, misalnya beton bertulang (beton + baja), fiberglass (serat kaca + resin), dan serat karbon.
• Alotrop karbon: intan (jaringan 3D), grafit (lembaran), grafena, dan fulerena.

Lihat susunan atomnya di lab Kristal & material.

Lanjutan · Fase E–F · SMA kelas 10–12 (Kimia)

Padatan dibedakan menjadi kristal (teratur) dan amorf (tidak teratur, seperti kaca). Kristal dicirikan oleh sel-satuan; logam umumnya berkisi kubus pusat muka (fcc: Cu, Al, Au, Ni), kubus pusat badan (bcc: Fe, Na, W), atau heksagonal rapat (hcp: Ti, Mg, Zn). Susunan fcc dan hcp mengisi 74% ruang.

Kristal ion seperti NaCl (bilangan koordinasi 6 : 6) dan CaF₂ (8 : 4) keras tetapi rapuh karena pergeseran lapisan membuat ion sejenis berhadapan. Jaringan kovalen (intan, kuarsa) sangat keras dan titik lelehnya sangat tinggi.

Polimerisasi ada dua jenis:

• Adisi: monomer berikatan rangkap terbuka dan bersambung, misalnya etena → polietilena, vinil klorida → PVC.
• Kondensasi: dua monomer bergabung sambil melepas molekul kecil (H₂O), misalnya nilon-6,6 dan PET.

Semikonduktor seperti silikon didoping fosforus (tipe-n) atau boron (tipe-p) untuk membuat dioda dan transistor. Nanomaterial memiliki luas permukaan sangat besar dan sifat kuantum.

Mendalam · Perguruan tinggi · Kimia dasar dan lanjut

Sifat mekanik logam ditentukan oleh cacat kristal: dislokasi memungkinkan deformasi plastis, dan paduan, batas butir, serta pengerasan regangan menghambat gerak dislokasi. Diagram fase Fe–C menjelaskan baja, besi tuang, austenit, ferit, martensit, dan perlakuan panas.

Teori pita menjelaskan konduktivitas: logam memiliki pita terisi sebagian; semikonduktor bercelah pita ~1 eV (Si 1,12 eV, GaAs 1,42 eV) dan isolator > 4 eV. Celah pita lebar GaN (3,4 eV) memancarkan cahaya biru. Titik kuantum dan perovskit halida (struktur ABX₃) memungkinkan celah pita diatur.

Material energi: katode berlapis LiCoO₂, olivin LiFePO₄, dan NMC berbasis nikel; anode grafit atau silikon. Kinerja dikendalikan difusi Li⁺, stabilitas struktur, dan antarmuka elektrolit padat (SEI).

Polimer dicirikan oleh distribusi massa molar, derajat kristalinitas, dan suhu transisi gelas (Tg). Karakterisasi material modern memakai difraksi sinar-X (XRD), mikroskop elektron (SEM/TEM), dan spektroskopi Raman (khas untuk grafena dan nanotube).