Menyingkap Dunia Nano Minyak Enjin: Peranan Penyerakan Neutron dalam Kimia Koloid

Penulis: Dr. Mohamad Danial Shafiq, Nik Nur Azreen Nik Fauzi, Amir Muhammad Noh Amin Abdul Rahman

Pusat Pengajian Kejuruteraan Bahan dan Sumber Mineral, Universiti Sains Malaysia, Kampus Kejuruteraan

Minyak enjin sering dianggap sekadar bendalir pelincir yang mengurangkan geseran dan menyingkirkan haba. Namun dari sudut sains kimia dan kejuruteraan, minyak enjin moden ialah sistem kimia koloid yang sangat kompleks, dirumus dengan pelbagai bahan tambahan yang terdiri dari bahan bukan polimer dan bahan polimer bagi memastikan enjin beroperasi secara cekap, bersih dan tahan lama. Hal ini sangat penting untuk memastikan kelestarian enjin dan alam sekitar untuk jangka masa yang panjang. Enjin yang tidak cekap akan menghasilkan jelaga yang terdiri daripada bahan yang berasaskan karbon seperti karbon monoksida dan karbon dioksida, yang akan mempengaruhi alam sekitar dan kesihatan masyarakat sejagat.

Untuk memahami konsep koloid secara intuitif, bayangkan segelas susu yang dipanaskan. Susu kelihatan sebati (homogen) secara kasar, tetapi sebenarnya mengandungi titisan lemak dan protein yang terampai dalam air. Apabila dipanaskan, protein boleh bergumpal dan membentuk lapisan di permukaan, dan ini menunjukkan kegagalan kestabilan koloid. Fenomena yang sama boleh berlaku dalam minyak enjin apabila zarah jelaga dan bahan tambahan gagal kekal terampai pada suhu dan ricihan tinggi. Namun, dari segi konsep sains fizikal, fenomena ini berbeza mengikut teori dan pengiraan keupayaan zarah untuk menghasilkan caj elektrik pada permukaan.

Minyak Enjin sebagai Sistem Koloid

Walaupun kelihatan jernih, minyak enjin mengandungi struktur teratur pada skala nano hingga mesoskopik. Dispersan, detergen dan polimer pengubah kelikatan boleh membentuk agregat, misel (micelle) songsang dalam minyak atau rangkaian sementara yang sentiasa berubah mengikut keadaan operasi enjin dan kelikatan minyak. Kestabilan struktur koloid ini bukan bersifat statik. Ianya dipengaruhi oleh beberapa faktor utama. Suhu boleh meningkatkan tenaga haba molekul dan boleh mengubah konformasi dan konfigurasi rantaian polimer, sama seperti protein susu yang berubah apabila dipanaskan. Kepekatan bahan tambahan pula menentukan sama ada molekul wujud secara terpencil atau membentuk struktur berskala lebih besar. Pada kepekatan tinggi, interaksi antara agregat menjadi dominan dan boleh membawa kepada pengagregatan.

Selain itu, sifat kimia minyak asas seperti kepolaran dan kelikatan, boleh mempengaruhi keserasian dengan bahan tambahan. Dalam enjin sebenar, minyak turut mengalami ricihan mekanikal yang tinggi, yang boleh memecahkan agregat besar atau menggalakkan penyusunan semula struktur koloid (zarah karbon). Kehadiran pencemar seperti jelaga dan produk pengoksidaan menjadikan sistem ini lebih kompleks dan jauh daripada keseimbangan.

Mengapa Penyerakan Neutron?

Cabaran utama dalam mengkaji minyak enjin ialah kebanyakan struktur penting terbentuk pada skala nano dan wujud dalam sistem legap. Teknik pencirian konvensional sering terhad dari segi keupayaan penembusan atau memerlukan penyediaan sampel yang mengubah keadaan asal. Penyerakan Neutron Sudut Kecil (SANS) menawarkan penyelesaian unik. Neutron mampu menembusi minyak enjin tanpa merosakkan struktur dalaman, dan sangat sensitif terhadap unsur ringan seperti hidrogen. Tambahan pula, Teknik kontras isotop, contohnya dengan menggantikan hidrogen kepada deuterium, membolehkan komponen tertentu dalam formulasi minyak diserlahkan secara selektif. Teknik ini adalah sangat sesuai bagi sistem yang kompleks seperti sistem minyak enjin, juga tiada teknik canggih yang lain berupaya untuk menganalisis fenomena ini. Melalui SANS, maklumat seperti saiz agregat, bentuk struktur dan interaksi antara zarah koloid dapat diperoleh secara langsung daripada sistem pukal, tanpa mengganggu keadaan operasi sebenar.

Bahan Pelincir Polimer dalam Minyak Enjin

Antara bahan tambahan paling penting dalam minyak enjin ialah polyisobutilena succinimida (PIBSI). Molekul ini direka supaya mempunyai sifat amfifilik: satu bahagian serasi dengan minyak asas bukan polar, manakala bahagian lain berinteraksi dengan zarah jelaga dan produk degradasi. Kajian menggunakan SANS menunjukkan bahawa bahan ini tidak wujud sebagai molekul terpencil, sebaliknya membentuk agregat nano yang saiz dan strukturnya berubah mengikut suhu dan kepekatan. Struktur inilah yang menentukan keupayaan dispersan untuk mengekalkan kebersihan enjin dan kelestarian kesihatan dan alam sekitar untuk jangka masa yang panjang.

Selain itu, polimer pengubah indeks kelikatan, seperti kopolimer olefin, digunakan untuk memastikan kelikatan minyak stabil merentasi julat suhu yang luas. Pada skala nano, polimer ini mengalami perubahan bentuk, sama ada mengembang atau mengecut, yang boleh dikaji secara langsung menggunakan penyerakan neutron.

Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, cecair ionik dan polimer cecair ionik muncul sebagai bahan tambahan pelincir generasi baharu. Dengan interaksi elektrostatik yang kuat, bahan ini cenderung membentuk nanostruktur tersusun yang berpotensi meningkatkan perlindungan haus dan kestabilan terma. Penyerakan neutron membolehkan domain ionik dan bukan ionik dalam sistem ini dianalisis secara terperinci.

Hubungan Sains Nano dan Kejuruteraan

Kelebihan utama penyerakan neutron terletak pada keupayaannya menghubungkan fenomena pada skala nano dengan prestasi makroskopik minyak enjin. Perubahan kecil dalam saiz atau susunan agregat koloid boleh memberi kesan besar terhadap kelikatan, kebolehaliran dan perlindungan komponen enjin.

Dengan memahami hubungan ini, jurutera dapat mereka bentuk formulasi minyak enjin secara lebih rasional, berasaskan pemahaman struktur dan mekanisme sebenar, bukan sekadar pendekatan cuba-jaya.

Seperti susu yang kelihatan ringkas tetapi menyimpan dunia koloid yang kompleks, minyak enjin juga menyembunyikan struktur nano yang menentukan prestasinya. Penyerakan neutron membuka tingkap ke dunia ini, membolehkan saintis dan jurutera memahami bagaimana bahan pelincir polimer berfungsi dalam keadaan sebenar. Dalam usaha membangunkan teknologi pelinciran yang lebih cekap dan mampan, teknik ini akan terus memainkan peranan penting.

Kredit foto-stledotorg

Rujukan

Jestin, J., Simon, S., Zupancic, L., & Barré, L. (2007). A small angle neutron scattering study of the adsorbed asphaltene layer in water-in-hydrocarbon emulsions: Structural description related to stability. Langmuir, 23(21), 10471-10478.

Özdemir, E., Kan, E., Guo, B., Pashkovski, E., Agiral, A., & Yildirim, E. (2025). The Role of Polyisobutylene-Bis-Succinimide (PIBSI) Dispersants in Lubricant Oils on the Deposit Control Mechanism. Polymers, 17(8), 1041.

Song, J. (2021). Research progress of ionic liquids as lubricants. ACS omega, 6(44), 29345-29349.

Rahman, A. M. N. A. A., Amir, K. N., Fauzi, N. N. A. N., Kang, L. J., & Shafiq, M. D. (2025, March). Synthesis and evaluation of polyisobutylene-ionic liquid dispersant for carbon stabilization in oil. In Journal of Physics: Conference Series (Vol. 2978, No. 1, p. 012006). IOP Publishing.

Cheng, L., Ye, A., Yang, Z., Gilbert, E. P., Knott, R., de Campo, L., … & Singh, H. (2022). Small-angle X-ray scattering (SAXS) and small-angle neutron scattering (SANS) study on the structure of sodium caseinate in dispersions and at the oil-water interface: Effect of calcium ions. Food Structure, 32, 100276.

Biografi penulis

Dr. Mohamad Danial Shafiq ialah seorang pensyarah dan penyelidik dalam bidang Kejuruteraan Polimer di Pusat Pengajian Kejuruteraan Bahan dan Sumber Mineral, Universiti Sains Malaysia (USM), dengan kepakaran dalam kimia koloid, bahan pelincir, serta mikroplastik dalam air. Beliau memperoleh Ijazah Kedoktoran (Ph.D.) dalam Kimia Fizikal dari University of Bristol, United Kingdom, dengan fokus penyelidikan terhadap pemahaman struktur dan tingkah laku sistem kompleks pada skala nano, khususnya dalam persekitaran bendalir legap seperti minyak dan bahan pelincir industri. Penyelidikan beliau merangkumi pembangunan dan pencirian dispersan polimer, polimer cecair ionik, serta kajian sifat dan interaksi mikroplastik dalam persekitaran akuatik menggunakan pendekatan kimia fizikal dan pencirian berskala mikroskopik. Secara keseluruhan, kerja penyelidikan ini menyokong agenda Pembangunan Lestari (SDG) melalui pembangunan bahan yang lebih cekap dan tahan lama, pengurangan impak pencemaran mikroplastik, serta inovasi bahan mampan untuk aplikasi industri dan alam sekitar, selari dengan SDG 6, 9, 12 dan 14.