Struktur Non-Kristal

1.        Pendahuluan

Pada temperatur rendah, energi pada susunan non-kristal tidaklah serendah energi pada susunan kristal untuk komposisi material yang sama. Namun demikian struktur non-kristal dapat dengan mudah terbentuk, dan ia juga stabil. Struktur non-kristal tidaklah seratus persen tidak teratur. Atom-atom dari padatan ini masih menunjukkan keteraturan susunan dalam skala sub-unit. Akan tetapi susunan antar sub-unit terjadi secara tak beraturan.

Melihat strukturnya, material non-kristal dapat dikelompokkan menjadi dua kelompok utama, yaitu:

a) struktur yang terbangun dari molekul berbentuk rantai panjang,

b) struktur yang terbangun dari jaringan tiga dimensi.

Molekul berbentuk rantai panjang akan mudah saling berbelit dan membentuk material non-kristal walaupun bagian-bagian tertentu dari rantai panjang ini dapat tersusun sejajar membentuk susunan teratur. Pada fasa cair mobilitas sangat rendah sehingga sekali materiaal ini menjadi dingin, strukturnya akan tetap non-kristal, sebab untuk membentuk struktur kristal diperlukan mobilitas atom yang cukup agar penyusunan atau pengaturan kembali dapat terjadi.

Jaringan tiga dimensi terbentuk bila sub-unit berupa polihedra koordinasi yang saling berikatan sudut. Ikatan antar polihedron merupakan ikatan diskrit dengan karakter kovalen yang dominan dan rantaian ini cukup fleksible sehingga mudah saling berbelit satu sama lain. Hanya sedikit polihedra dari rantaian ini yang dapat tersusun secara teratur membentuk kristal, kebanyakan mereka tersusun secara tidak teratur sehingga material yang terbentuk merupakan material non-kristal.

2.        Perilaku Material Non-kristal

Struktur non-kristal bisa juga terbentuk dari kombinasi kedua struktur utama tersebut di atas. Mereka bisa terbangun dari unsur ataupun senyawa (komponen). Walaupun terdapat perbedaan-perbedaan, pada umumnya material non-kristal menunjukkan perilaku yang mirip, seperti tidak memiliki titik leleh tertentu melainkan menjadi lunak bila temperatur ditingkatkan dan mengeras secara berangsur-angsur jika didinginkan, sifat fisik dan mekanis juga mirip jika diukur pada temperatur yang secara relatif sebanding dengan energi ikat yang dimiliki.

Semua material non-kristal memiliki karakter umum yaitu bahwa setiap sub-unit pada fasa cair sangat mudah saling berbelit dan sekali hal ini terjadi hampir tidak mungkin untuk diuraikan kembali. Walaupun cara terjadinya belitan antar sub-unit tersebut bisa bermacam-macam, namun pada dasarnya dapat dikelompokkan menjadi dua kelompok sebagaimana telah disebutkan di atas.

a)        Pengaruh Temperatur.

Struktur dan ikatan yang mirip antara berbagai material non-kristal, menyebabkan mereka memiliki perilaku yang hampir sama terhadap perubahan temperatur. Material non-kristal tidak memiliki titik beku tertentu. Mereka menunjukkan viskositas yang berangsur berubah dalam selang temperatur tertentu. Hal ini dapat dipandang sebagai proses pembekuan yang berlangsung secara bertahap karena setiap sub-unit memiliki lingkungan berbeda dan energi ikat yang berbeda pula. Pembentukan fasa padat akan dimulai dari sub-unit yang memiliki energi ikat terendah, yang kemudian disusul oleh yang memiliki energi ikat yang lebih tinggi, seiring dengan menurunnya temperatur. Oleh karena itu terdapat selang temperatur dimana proses pembentukan struktur padat itu terjadi.

Temperatur pertengahan dalam selang transisi proses pembentukan struktur padat disebut temperatur transisi gelas (glass transition temperature), Tp. Di bawah temperatur ini material akan menjadi regas seperti gelas, dan pada temperatur yang lebih tinggi ia cenderung untuk meleleh seperti cairan yang memiliki viskositas tinggi.

b)        Transparansi.

Banyak material non-kristal transparan, baik pada keadaan cair maupun padat. Sifat ini muncul karena tak ada unsur asing dalam material ini, tak ada hole, tak ada permukaan internal yang akan merefleksikan gelombang elektromagnet, tidak ada elektron-bebas yang akan menyerap energi.

c)        Material Non-kristal Dari Unsur.

Pada temperatur kamar, hanya sulfur dan selenium yang dapat membentuk material non-kristal. (Beberapa unsur lain dapat membentuk gelas pada temperatur mendekati nol absolut). Kedua unsur ini adalah dari grup-6 pada tabel periodik; mereka mempunyai dua elektron valensi. Ikatan antar atom terutama adalah kovalen dengan overlaping orbital p. Ikatan ini membentuk rantaian panjang, yang dalam keadaan cair akan saling berbelit, dan jika didinginkan dengan cepat akan membentuk material nonkristal.

Unsur grup-6 yang lain seperti tellurium dan polonium tidak membentuk material non-kristal pada temperatur kamar. Hal ini kemungkinan disebabkan oleh terjadinya ikatan yang kurang berarah dan kurang diskrit mengingat bahwa elektron valensi kurang erat terikat pada atom; atom dan molekul lebih mudah bergerak. Secara umum, jika ikatan atom makin lemah, atom makin mudah bergerak, pembentukan struktur kristal akan lebih mudah terjadi dan sulit terbentuk struktur gelas yang non-kristal.