Penelitian Doktoral FMIPA UI Ungkap Cara Material Berbasis Besi Mengubah Panas Menjadi Listrik

Depok, 20 Juli 2026 — Kebutuhan mengembangkan teknologi energi yang lebih efisien mendorong penelitian mengenai material yang mampu mengubah panas menjadi listrik. Salah satunya dikaji Ai Nurlaela dalam disertasinya yang dipresentasikan pada Promosi Doktor Ilmu Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Indonesia (FMIPA UI), Kamis (2/7/2026), di Aula Prof. G.A. Siwabessy FMIPA UI, Depok.

Promosi Doktor tersebut dipimpin oleh Ketua Sidang Prof. Dr. Tito Latif Indra, M.Si., yang juga merupakan Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Indonesia.

Dalam penelitian berjudul Studi Komputasi dan Eksperimental Sifat Termoelektrik Material Heusler Fe₂MnAl, Ai mengungkap bahwa perubahan sifat magnetik dan komposisi atom dapat memengaruhi kemampuan material berbasis besi dalam mengubah perbedaan suhu menjadi energi listrik.

Pengembangan teknologi tersebut relevan dengan kebutuhan untuk memanfaatkan energi secara lebih efisien, termasuk panas yang selama ini terbuang dari berbagai proses. Material termoelektrik dapat menjadi salah satu pendekatan untuk mengonversi perbedaan temperatur menjadi energi listrik.

“Pengembangan teknologi konversi panas menjadi listrik menjadi penting karena tidak semua energi yang digunakan dalam berbagai proses dapat dimanfaatkan secara langsung. Material termoelektrik dapat menjadi salah satu pendekatan untuk memanfaatkan perbedaan temperatur yang ada,” kata Ai.

Material termoelektrik merupakan material yang dapat menghasilkan tegangan listrik ketika terdapat perbedaan suhu. Dengan prinsip tersebut, panas yang terbuang berpotensi dikonversi menjadi energi listrik.

Dalam penelitiannya, Ai mengkaji hubungan antara sifat magnetik, struktur elektronik, dan kemampuan material berbasis besi dalam menghasilkan listrik dari perbedaan suhu melalui kombinasi perhitungan komputer dan eksperimen di laboratorium.

Penelitian tersebut berfokus pada dua hal utama, yakni pengaruh perubahan sifat magnetik akibat temperatur terhadap kemampuan material menghasilkan listrik serta pengaruh metode pembuatan dan perubahan komposisi atom terhadap sifat tersebut.

Dalam kajian teoretis, material yang diteliti diketahui memiliki karakter setengah logam (half-metallic) dan berada dalam keadaan feromagnetik pada temperatur rendah.

Seiring peningkatan temperatur, momen magnetik material mengalami penurunan hingga mendekati nol. Kondisi tersebut menunjukkan adanya perubahan dari fase feromagnetik ke paramagnetik pada temperatur sekitar 150 kelvin.

Untuk memahami pengaruh perubahan tersebut terhadap kemampuan material menghasilkan tegangan listrik dari perbedaan suhu, Ai menggunakan perhitungan Density Functional Theory (DFT) dan teori transport Boltzmann.

Perhitungan dilakukan dengan memvariasikan parameter smearing atau degauss dalam simulasi. Nilai tersebut kemudian dikalibrasi dengan data eksperimen mengenai perubahan magnetisasi terhadap temperatur.

Analisis teoretis menunjukkan bahwa pendekatan yang memperhitungkan perubahan sifat magnetik akibat temperatur menghasilkan tren koefisien Seebeck yang lebih mendekati hasil eksperimen dibandingkan pendekatan konvensional yang hanya menggunakan satu nilai degauss.

Koefisien Seebeck merupakan salah satu parameter penting untuk mengukur kemampuan suatu material menghasilkan tegangan listrik akibat perbedaan temperatur.

“Perubahan sifat magnetik akibat temperatur perlu diperhitungkan ketika kita ingin memprediksi perilaku material secara lebih realistis. Pendekatan yang kami gunakan menunjukkan bahwa perubahan fase magnetik dapat memengaruhi karakteristik listrik yang dihasilkan dari perbedaan suhu,” ujar Ai.

Selain kajian teoretis, penelitian ini membandingkan dua metode pembuatan material, yakni arc melting dan spark plasma sintering (SPS). Pengujian dilakukan pada rentang temperatur sekitar 300–800 kelvin.

Karakterisasi material menunjukkan bahwa material yang dibuat dengan metode SPS memiliki komposisi yang lebih mendekati komposisi ideal. Sementara itu, material hasil metode arc melting memiliki kandungan besi yang lebih tinggi serta kandungan mangan dan aluminium yang lebih rendah.

Berdasarkan analisis komposisi, material hasil arc melting mengandung besi sebesar 64,19 persen berat, mangan 24,75 persen berat, dan aluminium 11,06 persen berat. Adapun material hasil SPS memiliki kandungan besi sebesar 56,43 persen berat, mangan 27,59 persen berat, dan aluminium 13,45 persen berat.

Komposisi material hasil SPS lebih mendekati komposisi ideal dibandingkan material hasil arc melting. Namun, material hasil arc melting justru menunjukkan nilai koefisien Seebeck yang lebih tinggi pada temperatur tertentu.

Pada temperatur sekitar 300 kelvin, kedua material menunjukkan nilai koefisien Seebeck positif. Seiring peningkatan temperatur, nilainya menurun. Material hasil SPS kemudian berubah menjadi negatif pada temperatur yang lebih tinggi, sedangkan material hasil arc melting mempertahankan nilai positif hingga sekitar 425 kelvin sebelum berubah menjadi negatif.

Untuk menjelaskan perbedaan tersebut, Ai melakukan pemodelan berbagai kemungkinan perubahan komposisi dan cacat pada susunan atom material menggunakan perhitungan DFT dan BoltzTraP2.

Pemodelan tersebut menunjukkan bahwa kelebihan atom besi yang disertai kekurangan atom mangan atau aluminium dapat meningkatkan nilai koefisien Seebeck dibandingkan material dengan komposisi ideal. Pembentukan kekosongan atom mangan dan aluminium juga dapat meningkatkan nilai tersebut, terutama pada temperatur tinggi.

“Temuan ini menunjukkan bahwa material yang komposisinya tidak sepenuhnya ideal tidak selalu memiliki kinerja yang lebih rendah. Dalam penelitian ini, kelebihan besi dan kekosongan atom tertentu justru dapat meningkatkan kemampuan material dalam menghasilkan tegangan akibat perbedaan suhu,” kata Ai.

Temuan teoretis tersebut sejalan dengan pengamatan eksperimental pada material yang dibuat menggunakan metode arc melting. Material tersebut memiliki kandungan besi lebih tinggi serta kandungan mangan dan aluminium lebih rendah dibandingkan komposisi ideal.

Menurut Ai, perubahan kecil dalam komposisi dan susunan atom dapat memengaruhi struktur elektronik material. Perubahan tersebut kemudian berdampak pada distribusi pembawa muatan yang berperan dalam kemampuan material menghasilkan tegangan listrik akibat perbedaan suhu.

Temuan ini menunjukkan bahwa kemampuan suatu material dalam mengubah panas menjadi listrik tidak hanya ditentukan oleh jenis unsur penyusunnya. Cara material dibuat serta perubahan kecil dalam komposisi dan susunan atomnya juga dapat memengaruhi kinerjanya.

Secara keseluruhan, penelitian ini menunjukkan bahwa perubahan sifat magnetik dan komposisi material merupakan dua faktor penting yang perlu diperhatikan dalam pengembangan material untuk teknologi konversi panas menjadi listrik.

Pengendalian komposisi dan jenis cacat pada susunan atom material dapat menjadi salah satu strategi untuk mengoptimalkan kinerja material berbasis besi dalam aplikasi termoelektrik.

Ai Nurlaela menyelesaikan penelitian doktoralnya di bawah bimbingan Promotor Muhammad Aziz Majidi, Ph.D., dari Departemen Fisika FMIPA UI, dan Kopromotor Dwi Nanto, Ph.D., dari Program Studi Pendidikan Fisika, Fakultas Ilmu Tarbiyah dan Keguruan UIN Syarif Hidayatullah Jakarta.

Penelitian ini memberikan kontribusi terhadap pengembangan ilmu fisika material, khususnya dalam memahami hubungan antara sifat magnetik, struktur elektronik, komposisi atom, dan kemampuan material dalam mengubah perbedaan suhu menjadi energi listrik.