Material dan campuran

46 material dan campuran: paduan logam, kaca, keramik, polimer, komposit, larutan, koloid, suspensi, campuran heterogen, dan makromolekul hayati dengan komposisi, sifat, kegunaan, dan sumbernya.

Paduan logam (aloi)

Campuran logam dengan logam atau nonlogam lain, biasanya berupa larutan padat, yang dibuat agar lebih kuat, keras, atau tahan karat daripada logam murninya.

  • Baja — Paduan besi dengan sedikit karbon. Atom karbon yang kecil menyisip di antara atom besi dan menghambat pergeseran lapisan, sehingga baja jauh lebih kuat daripada besi murni.
  • Baja tahan karat (stainless steel) — Baja dengan kromium minimal 10,5%. Kromium membentuk lapisan oksida tipis yang melindungi logam dan dapat memperbaiki diri bila tergores.
  • Besi cor — Paduan besi dengan karbon lebih dari 2% dan silikon 1–3%. Titik lelehnya lebih rendah sehingga mudah dicetak, tetapi umumnya getas.
  • Kuningan — Paduan tembaga dan seng. Perbandingan keduanya mengubah warna dan kekerasannya.
  • Perunggu — Paduan tembaga yang umumnya mengandung sekitar 12–12,5% timah. Perunggu memberi nama pada Zaman Perunggu dan dipakai untuk nekara dan gamelan.
  • Timah solder — Paduan bertitik leleh rendah untuk menyambung logam. Solder klasik 63/37 timah–timbal adalah campuran eutektik yang meleleh pada satu suhu tajam; solder bebas timbal kini lebih banyak dipakai.
  • Duralumin — Paduan aluminium–tembaga yang mengeras dengan penuaan (age hardening). Paduan asli Alfred Wilm (1903) mengandung sekitar 4% tembaga.
  • Perak sterling (perak 925) — Paduan 92,5% perak dan 7,5% logam lain (biasanya tembaga). Perak murni terlalu lunak untuk perhiasan dan peralatan makan.
  • Emas 18 karat — Kadar karat adalah bagian per 24: emas 18 karat berarti 18/24 = 75% emas. Sisanya perak dan tembaga yang mengatur warna dan kekerasan.
  • Nikrom — Paduan nikel–kromium yang hambatan listriknya tinggi dan tahan oksidasi pada suhu tinggi. Kelas A: 80% nikel, 20% kromium.
  • Pewter (timah putih) — Paduan lunak yang sebagian besar timah (85–99%) dengan antimon, tembaga, dan bismut. Pewter modern tidak lagi memakai timbal.
  • Amalgam gigi — Raksa yang dipadukan dengan serbuk paduan perak, timah, dan tembaga. Lunak saat dicampur, lalu mengeras di dalam gigi. Pemakaiannya kini dikurangi menurut Konvensi Minamata.

Kaca

Padatan amorf: atomnya tidak tersusun teratur seperti kristal, sehingga melunak perlahan saat dipanaskan dan tidak punya titik leleh tajam.

  • Kaca soda–kapur — Kaca paling umum (sekitar 90% kaca yang diproduksi). Dibuat dengan melelehkan pasir silika bersama soda dan kapur; soda menurunkan suhu leleh, kapur membuatnya tahan air.
  • Kaca borosilikat — Kaca silika dengan boron trioksida (lebih dari 8%, pada jenis paling tahan hingga sekitar 13%). Pemuaiannya kecil sehingga tahan perubahan suhu mendadak.

Keramik & semen

Material anorganik nonlogam yang dibuat dengan pemanasan tinggi; keras, tahan panas, tetapi getas.

  • Porselen — Keramik dari lempung kaolin yang dibakar pada suhu tinggi hingga sebagian meleleh dan menjadi padat, putih, dan tembus cahaya bila tipis.
  • Semen portland — Serbuk kalsium silikat dan aluminat yang dibuat dengan memanaskan batu kapur dan lempung. Bila dicampur air, terjadi reaksi hidrasi yang membentuk padatan keras.

Komposit

Gabungan dua material atau lebih yang tetap terpisah di dalamnya, sehingga sifatnya saling melengkapi.

  • Beton — Campuran semen, air, pasir, dan kerikil. Pasta semen yang mengeras merekatkan butiran batuan menjadi satu.
  • Beton bertulang — Beton yang diberi batang baja di dalamnya. Beton menahan tekanan, baja menahan tarikan: contoh klasik material komposit.
  • Fiberglass (plastik diperkuat serat kaca) — Serat kaca halus yang tertanam dalam resin polimer. Serat menahan tarikan, resin mengikat dan melindungi serat.
  • Polimer diperkuat serat karbon — Serat karbon (lembaran mirip grafit yang tersusun sejajar) di dalam resin epoksi. Sangat kuat dan kaku untuk bobotnya.
  • Tulang: komposit alami — Kristal mineral hidroksiapatit yang tertanam dalam serat protein kolagen. Mineral membuat tulang keras, kolagen membuatnya tidak mudah patah.

Larutan (campuran homogen)

Campuran yang seragam di seluruh bagiannya; partikel zat terlarut < 1 nm dan tidak mengendap.

  • Udara — Campuran gas yang homogen. Udara kering menurut fraksi mol: 78,08% nitrogen, 20,95% oksigen, 0,93% argon, 0,04% karbon dioksida, dan sedikit gas lain; ditambah uap air yang jumlahnya berubah-ubah.
  • Air laut — Larutan garam dengan salinitas rata-rata sekitar 3,5% (sekitar 35 gram garam terlarut per kilogram), terutama ion Na⁺ dan Cl⁻.
  • Air berkarbonasi (soda) — Gas karbon dioksida yang dilarutkan dalam air di bawah tekanan. Saat tutup dibuka, tekanan turun dan kelarutan gas berkurang sehingga muncul gelembung.
  • Cuka — Larutan asam asetat dalam air, dibuat dengan fermentasi atau secara sintetis.
  • Elpiji (LPG) — Campuran propana dan butana yang dicairkan dengan tekanan di dalam tabung. Ditambah zat berbau agar kebocoran tercium.

Koloid

Campuran dengan partikel terdispersi 1–1000 nm: tampak seragam, tetapi menghamburkan cahaya (efek Tyndall). Jenisnya antara lain emulsi, aerosol, busa, gel, dan sol.

  • Susu (emulsi) — Tetesan lemak dan misel protein kasein yang tersebar dalam air bergula. Menghamburkan cahaya sehingga tampak putih.
  • Santan (emulsi) — Tetesan minyak kelapa yang tersebar dalam air perasan kelapa parut. Bila dibiarkan, lapisan kental (kanil) naik ke atas.
  • Mayones (emulsi) — Minyak yang dikocok menjadi tetesan halus dalam kuning telur dan cuka. Lesitin kuning telur bertindak sebagai pengemulsi: ujung polarnya menghadap air, ujung nonpolarnya masuk ke minyak.
  • Kabut (aerosol cair) — Tetesan air sangat kecil yang melayang di udara. Berkas cahaya lampu kendaraan tampak jelas di kabut karena efek Tyndall.
  • Asap (aerosol padat) — Partikel padat halus (jelaga, abu) dan tetesan yang melayang di udara hasil pembakaran tidak sempurna.
  • Agar-agar dan gelatin (gel) — Rantai polimer panjang (agarosa dari rumput laut, atau protein gelatin) membentuk jaring yang memerangkap air sehingga campuran menjadi padat kenyal.
  • Krim kocok (busa) — Gelembung udara yang terperangkap dalam krim; tetesan lemak menstabilkan dinding gelembung.

Suspensi

Campuran keruh dengan partikel besar yang lama-kelamaan mengendap dan dapat disaring.

  • Air berlumpur — Partikel tanah liat dan pasir yang tersebar di dalam air. Bila didiamkan, partikel besar mengendap.

Campuran heterogen

Campuran yang bagian-bagiannya dapat dibedakan, bahkan dengan mata.

  • Minyak bumi — Campuran kompleks ribuan hidrokarbon hasil pelapukan sisa makhluk hidup purba selama jutaan tahun.
  • Granit — Batuan beku yang butiran mineralnya dapat dilihat dengan mata: kuarsa bening, feldspar putih atau merah muda, dan mika gelap.
  • Tanah — Campuran butiran mineral, bahan organik (humus), air, udara, dan makhluk hidup.

Makromolekul hayati

Polimer raksasa makhluk hidup (protein, enzim, DNA, RNA). Strukturnya ditentukan dengan kristalografi sinar-X atau cryo-EM dan disimpan di Protein Data Bank.

  • DNA heliks ganda (bentuk B) — Dua untai nukleotida yang saling melilit; basa A berpasangan dengan T dan G dengan C melalui ikatan hidrogen. Struktur 1BNA adalah potongan DNA 12 pasang basa (Drew–Dickerson, 1981).
  • RNA transfer (tRNA fenilalanina) — Satu untai RNA yang melipat menjadi bentuk L. tRNA membawa asam amino ke ribosom dan membaca kodon mRNA dengan antikodonnya.
  • Hemoglobin — Protein pengangkut oksigen di sel darah merah: empat rantai polipeptida, masing-masing membawa satu gugus heme dengan ion besi(II).
  • Mioglobin — Protein penyimpan oksigen di otot dengan satu rantai dan satu heme. Termasuk struktur protein pertama yang dipecahkan dengan kristalografi sinar-X.
  • Insulin — Hormon peptida kecil (51 asam amino dalam dua rantai yang dihubungkan jembatan disulfida) yang menurunkan kadar gula darah.
  • Lisozim (enzim) — Enzim di putih telur, air mata, dan air liur yang menghidrolisis dinding sel bakteri. Enzim pertama yang strukturnya dipecahkan.
  • Triosa fosfat isomerase (enzim glikolisis) — Enzim glikolisis yang mengubah dihidroksiaseton fosfat menjadi gliseraldehida 3-fosfat. Terkenal sangat efisien: lajunya praktis hanya dibatasi difusi substrat.
  • Protein berpendar hijau (GFP) — Protein ubur-ubur Aequorea victoria yang memancarkan cahaya hijau; kromofornya terbentuk sendiri dari tiga asam amino di dalam barel protein.
  • Kolagen — Protein paling melimpah di tubuh: tiga rantai yang saling melilit membentuk heliks rangkap tiga. Struktur 1CGD adalah peptida model kolagen.