Di balik kilau berlian yang menawan
Selama berabad-abad, peradaban manusia telah mengenal dan memanfaatkan berlian untuk berbagai keperluan dalam kehidupan manusia. Tampilannya yang memukau dan kilau yang dipancarkannya ketika disinari cahaya membuatnya populer sebagai dekorasi. Kata diamond, sebutan berlian dalam Bahasa Inggris, berasal dari kata αδάμας (adámas) yang dalam Bahasa Yunani berarti tak dapat dihancurkan. Sebutan ini disematkan pada berlian dikarenakan tingkat kekerasannya yang merupakan salah satu yang tertinggi diantara material lainnya. Dikarenakan sifat mekanik yang unggul ini peradaban manusia menggunakannya sebagai simbol kekuatan dan kelanggengan.
Berlian merupakan material kristal. Dalam ilmu fisika material kristal adalah material yang tersusun atas atom-atom unsur tertentu yang membentuk susunan dan ikatan antar atom yang sangat teratur. Di balik tampilan dan sifat mekaniknya yang menawan berlian memiliki struktur kristal yang dapat dikatakan cukup sederhana. Struktur kristal berlian murni hanya tersusun atas atom-atom karbon yang saling berikatan satu sama lain. Setiap atom karbon memiliki empat elektron pada kulit terluarnya, elektron-elektron terluar inilah yang masing-masing berikatan dengan satu elektron dari atom karbon lainnya sehingga setiap elektron terluar dari atom Karbon memiliki pasangan masing-masing. Ikatan ini berkontribusi besar terhadap sifat-sifat yang dimiliki berlian, termasuk tampilan menawan dan keunggulan mekaniknya.
Akan tetapi di balik tampilan luarnya yang menawan dan sifat mekaniknya yang unggul, berlian ternyata tidak sesempurna tampilan fisik luarnya. Banyak berlian memiliki kecacatan secara struktur kristal, beberapa atom Karbon penyusunnya hilang dan mengakibatkan kekosongan pada struktur berlian. Terdapat pula beberapa unsur “asing” di dalam struktur atom berlian yang menggantikan beberapa atom Karbon yang menyusun berlian. Uniknya, kecacatan ini bukan merupakan kekurangan bagi belian, justru kecacatan pada berlian membuatnya memiliki sifat-sifat unik yang membuat berlian semakin menawan baik dalam tampilan maupun fungsionalitasnya. Fisikawan dan ilmuwan material memanfaatkan kecacatan pada berlian ini untuk berbagai keperluan, mulai dari perangkat elektronik, sensor magnetik, hingga komputer kuantum.
Ketidaksempurnaan di balik keunikan sifat berlian
Berlian tidak hanya hadir dengan tampilan transparan, terdapat juga berlian dengan warna yang bervariasi mulai dari kuning, biru, merah, hingga hijau. Warna pada berlian dapat muncul dikarenakan adanya unsur ketidakmurnian ataupun kecacatan kristal pada struktur atom berlian. Atom Karbon dalam struktur berlian dapat tergantikan dengan atom unsur lain yang memiliki elektron terluar dengan jumlah yang dekat dengan jumlah elektron terluar Karbon seperti Boron dan Nitrogen.
Kehadiran unsur “asing” dalam struktur atom berlian ini akan mengubah komposisi energi elektron dalam struktur berlian. Jika dalam berlian murni setiap elektron pada sebuah atom Karbon berpasangan dengan elektron lain dari atom Karbon lain, hadirnya unsur ketidakmurnian akan memunculkan elektron yang tidak memiliki pasangan. Kehadiran elektron tak berpasangan dalam struktur berlian akan memunculkan sifat unik yang tidak muncul pada berlian murni.
Kehadiran atom Nitrogen, dengan jumlah elektron terluar 5, yang menggantikan beberapa atom Karbon (jumlah elektron terluar 4) dalam struktur berlian misalnya akan meninggalkan satu elektron tak berpasangan yang berasal dari atom Nitrogen. Elektron tak berpasangan ini jika disinari cahaya putih akan menyerap cahaya pada spektrum warna ungu sehingga jika dilihat berlian ini akan terlihat berkilau dengan warna kekuningan.
Cacat kristal, atau hilangnya beberapa atom Karbon dalam struktur berlian juga akan memengaruhi sifat yang dimiliki sebuah berlian. Sama halnya dengan hadirnya impuritas atau ketidakmurnian dalam struktur atom berlian, adanya cacat kristal dalam berlian juga akan mengubah komposisi elektronik dalam berlian. Cacat kristal dalam berlian diyakini sebagai penyebab munculnya warna merah muda dalam berlian tertentu [1].
Pasangan cacat kristal dan impuritas Nitrogen dalam berlian
Jika impuritas dan cacat kristal dapat menyebabkan munculnya sifat unik dari sebuah berlian, bagaimana dengan adanya kombinasi impuritas dan cacat kristal dalam berlian? Jawabannya adalah munculnya sifat yang lebih unik dan dapat dimanfaatkan untuk berbagai penerapan yang belum pernah ditemukan sebelumnya. Berlian dengan impuritas Nitrogen dan cacat kristal, atau disebut Nitrogen-Vacancy center (NV center), memiliki karakteristik unik yang membuatnya bermanfaat bagi banyak aplikasi yang belum pernah ditemukan sebelumnya.
Secara struktur atom, berlian dengan NV center serupa dengan struktur berlian biasa seperti terlihat pada Gambar 1, akan tetapi terdapat impuritas berupa atom Nitrogen yang bertetangga dekat dengan cacat kristal berupa kekosongan atom Karbon. Konfigurasi ini menghasilkan berlian dengan dua elektron tak berpasangan yang dapat dimanipulasi dengan cahaya laser dengan panjang gelombang (warna) tertentu dan gelombang mikro dengan frekuensi tertentu. Melalui manipulasi ini berlian dengan NV center dapat dimanfaatkan sebagai sensor untuk berbagai besaran fisika. Saat ini banyak fisikawan dan ilmuwan material melakukan penelitian terhadap NV center untuk menggali potensi yang ada di dalamnya dengan harapan memperoleh applikasi yang bermanfaat di berbagai bidang. Beberapa hasil penelitian menunjukkan potensi NV center sebagai sensor medan magnet, sensor temperatur, dan kemungkinan digunakan dalam komputer kuantum [3].
Referensi
[1] Jane O'Brien, “What makes pink diamond pink?”, BBC Magazine, 2014, http://www.bbc.com/news/magazine-30584361, (diakses 25 September 2016).
[2] Douma, Michael, curator. " The band structure of blue and yellow diamonds," Cause of Color, 2008, http://www.webexhibits.org/causesofcolor/11A0.html, (diakses 25 September 2016).
[3] R. Schirhagl, K. Chang, M. Loretz, and C. L. Degen, “Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond: Nanoscale Sensors for Physics and Biology”, Annu. Rev. Phys. Chem., 65, 83-105, 2014.
[4] Struktur atomik berlian dalam artikel ini dibuat dengan bantuan perangkat lunak VESTA, http://jp-minerals.org/vesta/en/
menarik pak