Teori Elektrospinning

         Elektrospinning adalah salah satu contoh fenomena elektrohidrodinamika. Dalam elektrohidrodinamika, suatu muatan listrik akan dapat mengakibatkan pergerakan suatu fluida ketika dikenai medan listrik. Proses elektrospinning memiliki banyak kesamaan dengan elektrospraying. Perbedaan kedua proses tersebut hanya terletak pada produk akhir yang dihasilkan. Dalam elektrospraying, partikel-partikel atau struktur bead akan dihasilkan, sedangkan  elektrospinning menghasilkan nanofiber yang kontinyu (Gambar 1). Terbentuknya bead maupun nanofiber tergantung apakah medan listrik yang diterapkan mampu mengimbangi tegangan permukaan larutan.

 Gambar 1. a) Fenomena elektrospraying yang menghasilkan struktur bead atau partikel (Sen et al., 2006), b) Fenomena elektrospinning dengan hasil akhir berupa nanofiber (Li dan Xia, 2004). 

Dalam metode elektrospinning, tegangan tinggi pada rentang tertentu diterapkan  di antara dua buah elektroda untuk memperoleh jenis dan kualitas nanofiber yang diinginkan. Satu elektroda dibuat bersentuhan dengan cairan polimer untuk menghasilkan cairan bermuatan ketika dikenai medan listrik luar dan elektroda lainnya bertindak sebagai kolektor. Untuk mendapatkan nanofiber, proses elektrospinning harus diawali dengan terbentuknya formasi Taylor cone (cairan berbentuk seperti kerucut diujung spinneret). Medan listrik yang mengenai Taylor cone harus mampu mengimbangi tegangan permukaan larutan. Ketika medan listrik dinaikan lagi, formasi jet akan keluar dari ujung Taylor cone. Jet polimer akan mengalami gangguan sehinggga terjadi bending dan dilanjutkan dengan terbentuknya lintasan spiral hingga akhirnya nanofiber terkumpul di kolektor dalam bentuk solid.

Dalam elektrospinning, larutan polimer akan mengalami beberapa ketidakstabilan. Ketidakstabilan ini mempengaruhi ukuran dan geometri nanofiber yang dihasilkan. Ketidakstabilan yang pertama, yang juga dikenal sebagai ketidakstabilan Rayleigh merupakan ketidakstabilan aksisimetrik dan terjadi ketika kuat medan listrik yang dipakai rendah atau ketika viskositas larutan berada dibawah nilai optimum. Penggunaan larutan dengan viskositas yang rendah menyebabkan jet terputus dan berubah menjadi bead pada morfologi nanofiber. Hal ini disebabkan oleh rendahnya densitas rantai yang bertautan (entanglement) pada larutan dan tidak cukup mampu menahan gaya dari medan listrik yang diberikan. Ketidakstabilan Rayleigh dapat teratasi ketika medan listrik yang digunakan lebih tinggi (densitas muatan yang lebih tinggi) atau dengan membuat konsentrasi yang tinggi pada larutan polimer.

Jet polimer yang baru saja terbentuk dan dikontrol oleh ketidakstabilan Rayleigh akan bergerak lurus. Jet ini selanjutnya dipengaruhi oleh dua ketidakstabilan lainnya, yakni ketidakstabilan bending dan whipping. Kedua ketidakstabilan ini muncul akibat adanya interaksi tolak-menolak antara muatan excess yang terdapat di dalam jet, sehingga memicu terjadinya penipisan (thinning) dan pemanjangan (elongation) jet. Pada medan listrik yang tinggi, jet didominasi oleh ketidakstabilan bending (axisymmetric) dan whipping (non-axisymmetric), yang menyebabkan pergerakan jet seolah-olah seperti membentuk suatu kerucut. Pada medan listrik yang tinggi dan terdapat densitas muatan yang cukup pada jet, ketidakstabilan axisymmetric (Rayleigh dan bending) akan menurun, sementara ketidakstabilan non-aksisimetrik akan meningkat. Ketidakstabillan whipping  menghasilkan gaya tekuk (bending) pada jet, menghasilkan derajat elongasi jet yang tinggi. Selama proses ini berlangsung, pelarut akan menguap dan akhirnya terdeposit sebagai nanofiber pada elektroda kolektor.

 Beberapa model telah dikembangkan untuk memahami secara detail mengenai fenomena elektrohidrodinamika, baik dalam elektrospinning maupun elektrospraying. Karena proses yang terjadi pada elektrospinning dan elektrospraying memiliki banyak kesamaan, maka beberapa teori pada elektrospraying seharusnya dapat dipakai untuk menjelaskan proses elektrospinning.

Dalam fenomena elektrohidrodinamika, persamaan Navier-Stokes dan persamaan-persamaan Maxwell seringkali dikombinasi untuk mengetahui bagaimana gerak fluida dan fenomena elektromagnetik yang ada di dalamnya. Karena konduktivitas listrik larutan yang sangat kecil, maka efek magnetik dalam persamaan Maxwell dapat diabaikan.

           Persamaan yang menjelaskan proses terjadinya elektrospinning diawali dari hukum kelestarian momentum linier. Penerapan hukum kelestarian momentum linier mampu menghubungkan antara elektrodinamika dan mekanika yang merupakan dasar dari mekanisme elektrospinning. Salah satu persamaan yang sangat penting di dunia fisika yang dihasilkan melalui penerapan hukum kelestarian momentum adalah persamaan Navier-Stokes. Persamaan Navier–Stokes yang menggambarkan keseimbangan momentum dari suatu benda dapat dituliskan dalam bentuk,

  

dengan p adalah tekanan fluida, ρ adalah massa jenis, η viskositas, g percepatan gravitasi dan u adalah medan kecepatan. Jika momentum listrik dan gravitasi diikutsertakan, persamaan tersebut dapat ditulis,

 

dengan momentum mekanik diekspresikan sebagai gradien dari tensor stress mekanik fluida T^m, dan diberikan oleh,

 

Sementara itu, tensor stress listrik T^e didefinisikan oleh,

 

dengan E adalah medan listrik, q muatan listrik, ε permitivitas bahan, dan p_st merupakan tekanan elektrostriktif. Suku pertama dalam persamaan tersebut dikenal sebagai gaya Coulumb, yakni gaya elektrohidrodinamika yang terkuat dan merupakan gaya per satuan volume pada medium yang mengandung muatan listrik bebas. Suku kedua, disebut sebagai gaya dielektroforesis, yang muncul sebagai akibat dari gaya yang bekerja karena medan listrik yang terdapat pada fluida dielektrik yang tidak homogen. Suku ketiga merupakan gaya elektrostriktif yang merepresentasikan densitas gaya elektromekanik karena ketidakseragaman medan listrik. Sehingga persamaan kelestarian momentum secara keseluruhan menjadi,

 

Dalam medium isotropik, sifat fluidanya inkompresibel, besaran permitivitas tidak memiliki gradien, sehingga gaya dielektroforesis bernilai nol. Untuk medan listrik yang seragam, gaya elektrostriktif juga menjadi nol, sehingga didapatkan persamaan

 

Pada fluida yang konduktif, muatan-muatan listrik dan gaya listrik akan terkonsentrasi pada batas permukaan. Ini berarti bahwa densitas muatan permukaan akan tersebar disepanjang wilayah antarmuka, sehingga menjadikan gaya Coulumb mampu mendeformasi cairan (Lastow dan Balachandran, 2006).

            Telah diketahui bahwa dalam elektrospinning, pembentukan formasi Taylor cone memiliki peran yang penting dalam menginisiasi terbentuknya nanofiber. Tanpa kehadiran medan listrik eksternal, larutan polimer yang keluar dari ujung spineret hanya akan menetes dan tidak bisa melanjutkan proses berikutnya untuk membentuk nanofiber. Akan tetapi, ketika medan listrik luar diberikan, larutan diujung spineret yang awalnya berbentuk bola akan berubah menjadi kerucut. Mekanisme perubahan bentuk formasi larutan diperlihatkan pada Gambar 2. Beberapa gaya yang bekerja pada larutan yang berada diujung spinneret adalah gaya gravitasi bumi, tegangan permukaan, gaya viskus, dan beberapa stress listrik.

Gambar 2 Gaya-gaya yang bekerja pada Taylor cone (Sen et al., 2006)

Pemberian medan listrik luar E pada arah sumbu-z akan menginduksi munculnya arus j(E) yang mematuhi hukum Ohm, yakni

 

Komponen normal pada arus ini bertanggung jawab atas generasi muatan di permukaan (Subbotin et al., 2013). Akumulasi densitas muatan permukaan (antar muka larutan polimer dan udara) akan memicu munculnya medan listrik pada arah normal permukaan dan menghasilkan adanya stress pada arah normal dan tangensial dari permukaan (Sen et al., 2006). Stress listrik pada arah tangensial selanjutnya menggerakkan muatan-muatan ke ujung meniskus dan mengubah bentuk formasi larutan menjadi Taylor cone. Sebagian besar muatan akan terkumpul di ujung Taylor cone dan sebagian lagi kembali sehingga membentuk vortex (Gambar 3).

 

Gambar 3 a) Pergerakan muatan di dalam Taylor cone, b) Distribusi muatan di dalam Taylor cone (Fard et al., 2010) 

Densitas muatan yang lebih besar di ujung Taylor cone menyebabkan munculnya gaya tolak Coulumb antar muatan-muatan yang mampu melepas cairan polimer dan melahirkan formasi jet. 

        Adanya transisi antara Taylor cone dan formasi jet membuat proses elektrospinning dibagi ke dalam dua bagian, yakni konduktif dan konvektif. Bagian konduktif berada pada wilayah yang berdekatan dengan nozzle z < 0, sedangkan bagian konvektif berada pada z > 0, dimana z adalah panjang jet. Oleh karena itu, total arus pada elektrospinning merupakan kontribusi dari arus yang berada di kedua wilayah tersebut dan diberikan oleh,

 

Dengan I_kond dan I_konv berturut-turut merupakan arus konduksi dan konveksi, r adalah radius jet, E_z medan listrik di permukaan yang searah sumbu-z, v_z kecepatan jet pada arah-z, dan σ adalah densitas muatan permukaan. Arus listrik pada bagian konduktif sangat ditentukan oleh konduktivitas, sedangkan arus di bagian konvektif ditentukan oleh arus konveksi. Pada z = 0 kedua arus tersebut memiliki besar yang sama (Subbotin et al., 2013).

Sumber : Mu'min, M.S, 2014, Pengaruh Konsentrasi Pelarut Asam Asetat Terhadap Munculnya “Bead” Pada Nanofiber Pva/Kitosan, Tesis, Jurusan Fisika FMIPA UGM, Yogyakarta