Kristal Kuarsa (Quartz)

Kuarsa adalah batu kristal mineral yang terbuat dari silicon dioxide dan merupakan mineral kedua (setelah feldspar) yang paling banyak dan yang paling umum ditemukan di kerak kontinen bumi (mencakup 12% dari keseluruhan). Batu kuarsa amat beragam dan sebagian dijadikan batu perhiasan dan sebagian amat langka. Mineral ini memiliki struktur kristal heksagonal yang terbuat dari silika trigonal terkristalisasi (silikon dioksida, SiO2), dengan skala kekerasan Mohs 7 dan densitas 2,65 g/cm³. Bentuk umum kuarsa adalah prisma segienam yang memiliki ujung piramida segienam. 

Walaupun batunya banyak ditemukan secara alami tetapi kebanyakan batu kuarsa yang digunakan dalam kebutuhan industri adalah buatan manusia. Batu kuarsa paling murni adalah batu kuarsa yang jernih tidak berwarna, transparent dan kadang agak bersusu. Berbeda dengan berlian, batu kuarsa tidak memijar cahaya dan tidak seperti batu aquamarine juga batu kuarsa tidak memancar berbagai cahaya yang berlainan jika dilihat dari sudut berbeda.

Batu kuarsa ada dua macam walaupun secara kimia memiliki komposisi yang sama yaitu SiO2 :

1. Batu kuarsa macrocrystalline, contoh batuannya adalah aventurine, batu kecubung kasihan (batu amethyst), batu kuarsa biru, rose quartz, citrine, batu mata garuda, batu mata kucing, batu kinyang asap (smoky quartz), batu mata harimau dan prasiolite. Batu kuarsa macam ini biasanya agak transparent sampai transparent total.
2. Batu kuarsa cryptocrystalline, contoh batu-batunya adalah batu chalcedony, batu akik bawang (batu chrysoprase), batu akik, batu darah, batu carnelian dan batu jasper. Batu kuarsa macam ini biasanya sedikit transparent sampai buram alias susah tembus pandang.

Kata "kuarsa" berasal dari kata dalam bahasa Jerman "quarz" dan leluhurnya dalam Jerman tengah-tinggi "twarc", yang mungkin berasal dari bahasa Slavia "tvrdý" yang berarti "keras", dan Polandia "twardy yang juga berarti "keras". "Quarz" yang berasal dari Slavia, para penambang menyebutnya "kremen". Mungkin juga berasal dari bahasa Sakson, "querk-luftertz", yang berarti bijih-vena silang. 

Dalam bahasa Indonesia, "kuarsa" disebut juga "biduri". Naturalis Romawi, Pliny the Elder meyakini bahwa kuarsa adalah air es, yang secara permanen membeku setelah kurun waktu sangat lama. Kata "kristal" berasal dari kata dalam bahasa Yunani, yang berarti "es". Ia mendukung ide ini dengan mengatakan bahwa kuarsa ditemukan di dekat gletser di pegunungan Alpen, tapi bukan di gunung berapi, dan bahwa kristal kuarsa besar dibentuk menjadi bola untuk mendinginkan tangan.  

Kristal kuarsa secara dasar merupakan kristal simetri trigonal, biasanya merupakan prisma 6-sisi pada bagian tengah dengan piramid atau limas 6-sisi pada 2 bagian ujung, dan dibedakan atas 2 kelas kristal, kuarsa-alpha berpenampang trigonal trapezohedral dengan grup ruang P31-21 atau P32-21, dan kuarsa-beta dengan kristal berpenampang heksagonal dengan grup ruang P62-22 atau P64-22. Pasangan kristal kuarsa-alpha dan kuarsa-beta adalah contoh dari struktur kristal kiral (chiral) SiO2, yang terdiri dari blok bangunan akiral (achiral), SiO4 tetrahedral dalam kasus ini.

Masyarakat kuno telah mengetahui bahwa kristal kuarsa bening dapat meguraikan cahaya bening atau putih menjadi cahaya dengan warna spektrum penuh, merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila, dan lembayung, dan mereka menganggap hal ini sebagai kegaiban kristal kuarsa. Kepercayaan ini bertahan setidaknya hingga abad ke17, dimana studi Nicolas Steno tentang kuarsa telah membuka jalan bagi kristalografi modern. Ia menemukan bahwa tanpa peduli seberapa terdistorsi suatu kristal kuarsa, sisi prisma panjang kuarsa selalu membuat sudut sempurna 60°, sehigga kristal kuarsa berfungsi sebagai pengurai cahaya sebagaimana dijelaskan oleh matematikan dan fisikawan Inggris Sir Isaac Newton (1642–1727).

PENGGUNAAN KRISTAL KUARSA

Karena sifat fisik kristalnya, kuarsa memiliki penggunaan sangat luas, mulai dari bidang sains, teknik, industri, hingga sebagai perhiasan batu permata. Untuk alasan kekuatan fisik kristal kuarsa, yang tahan air sekuat karang dan tahan temperatur sangat tinggi hingga 1.500 ºC, dengan titik lebur antara 1.680 s/d 1.720 ºC, kristal kuarsa digunakan untuk membuat kaca dan gelas kuarsa, kertas ampelas dan peralatan pengikis lainnya. Kristal kuarsa juga bisa diiris untuk dibuat menjadi kawat serabut seragam sangat kuat, kenyal tapi stabil secara fisik dan kimiawi. Serabut kuarsa ini digunakan untuk berbagai keperluan teknik, antara lain untuk ulir torsi peralatan pengukur halus dan lembut, seperti pada elektrometer.

Kristal kuarsa merupakan materi mineral senyawa kimiawi yang memiliki efek fisika dinamakan efek piezoelektrik sampai suatu ekstensi bisa ditandai, dan juga kuat dielektrik dan bisa ditandai, karakteristik tribo-luminescent, sehingga digunakan secara luas dalam elektronika, antara lain sebagai sensor mekanik seperti pada lengan meja-putar piringan (disk turn-table pick-up arm), sensor elektrik, resirkulator sinyal akustik, oskilator kuarsa (quartz oscillator) atau jam kuarsa (quartz clock), dan lain sebagainya.

Tapi penggunaan terbesar kristal kuarsa di abad modern adalah dalam industri mikroelektronik semikonduktor, jutaan ton kristal kuarsa natural per tahun digunakan untuk membuat kristal kuarsa sintetik di pabrik material semikonduktor, dan penggunaan ini makin meningkat dengan meningkatnya penggunaan komputer dan peranti mikroelektronik seperti ponsel. Saat ini, sebagian besar peranti mikroelektronik semikonduktor menggunakan silikon sebagai material semikonduktor utama, selain germaniun dan lainnya, baik untuk komponen sirkuit diskrit (discrete circuit) seperti dioda, transistor, tairistor, dan lainnya, maupun untuk komponen sirkuit terpadu (integrated cicuit, IC) seperti serpih gerbang logic (logic gate), larik logic (logic array), memori, dan mikroprosesor.

KRISTAL KUARSA DAN EFEK PIEZOELEKTRIK

Kristal kuarsa dapat berfungsi sebagai konverter piezoelektrik atau pengubah tenaga tekanan ke tenaga listrik, dan sebaliknya sebagai konverter elektropiezoik atau pengubah tenaga listrik ke tenaga tekanan.

Efek piezoelektrik adalah suatu efek fisika, efek mekano-elektrik, dimana istilah piezo berarti tekanan (pressure, stress, strain), suatu efek alamiah yang merupakan propertas alamiah dari beberapa jenis kristal asimetrik (asymmetric crystal), seperti kristal kuarsa. Jika kristal sedemikian diberikan tekanan mekanik, maka muatan listrik positif dan negatif dihasilkan pada sisi berlawanan sebagai respon fisik terhadap perubahan tekanan. Kelistrikan yang muncul ini disebut piezoelektrisitas (piezo-electricity).

Kebalikan efek piezoelektrik, alias elektropiezoik atau efek elektromekanik bisa terjadi jika kristal sedemikian rupa diberikan tegangan listrik, maka tekanan positif dan negatif dihasilkan permukaan berlawanan yang bisa mengubah bentuk dan ukuran kristal. Sehingga kristal asimetrik bisa berfungsi sebagai konverter mekano-elektrik dan elektro-mekanik, serupa sebagaimana halnya dengan konversi magneto-elektrik oleh generator listrik dan elektro-magnetik oleh motor-listrik.

Penggunaan efek piezoelektrik antara lain adalah pada pengukur tekanan (strain gauge), dan pengubah bunyi gitar akustik ke sinyal listrik untuk diumpankan ke penguat bunyi (sound amplifier), sedangkan efek elektro-piezoik antara lain adalah pada osiklator kuarsa (quartz oscillator). Propertas piezoelektrik kuarsa ditemukan oleh Jacques dan Pierre Curie di 1880. Sedangkan oscilator atau resonator kuarsa pertama kali dikembangkan oleh Walter Guyton Cady di 1921. George Washington Pierce merancang dan mempatenkan osilator kristal kuarsa di 1923. Warren Marrison menciptakan jam osilator kuarsa pertama berdasarkan pada karya Cady dan Pierce di 1927.

KUARSA SINTETIK

Kebanyakan kuarsa yang digunakan dalam industri mikroelektronika semikonduktor diproduksi secara sintetik. kristal besar dan tanpa cacat dapat diproduksi melalui proses hidrotermal dalam autoklaf. Proses ini melibatkan pembentukan kuarsa alami dileburkan dengan larutan cair panas seperti basa natrium hidroksida (NaOH). Hidroksida berperan sebagai mineralizer, yang membantu melarutkan kuarsa natural sebagai nutrisi untuk kuarsa artifisial. Suhu dan tekanan tinggi diperlukan, biasanya antara 350-450 °C dan 1.000-1.500 atmosfir.

Kuarsa terlarut kemudian meng-kristal pada benih kristal pada suhu sedikit lebih rendah. Ribuan ton kuarsa sintetik diproduksi per tahun, dan fasilitas sintesik besar ada di seluruh dunia. Sintetik kuarsa sering dievaluasi berdasarkan faktor Q, ukuran respon piezo-elektrik dan indikator kemurnian kristal. Kaca suhu tinggi juga terdiri dari SiO2, tanpa atau dengan hanya sejumlah kecil, komponen lain, disebut sebagai kaca kuarsa atau kuarsa leburan, meski lebih amorfus dalam struktur daripada kristalin.

KUARSA SEBAGAI BATU PERMATA

Ada berbagai varietas kuarsa, beberapa di antaranya adalah batu permata mulia dan semi-mulia. Di seluruh dunia, jenis kuarsa telah sejak jaman dahulu adalah mineral paling umum digunakan dalam pembuatan perhiasan dan ukiran batu keras. Karena kekuatan dan kebeningannya, kristal kuarsa digolongkan sebagai batu permata (gem stone), dan dalam klasifikasi batu semi-mulia (semi-precious stone), kuarsa murni alamiah menduduki kelas 3 setelah intan (diamond). Pembedaan ini didasarkan pada kekuatan fisik material yang dinyatakan dalam skala Mohs, yang disusun pertama kali oleh Friedrich Mohs (1772-1839), ahli mineralogi Jerman.

batu mulia (precious stone) -----> orisinal, natural atau alamiah
•    kelas 1 > skala 10 s/d 8 -------> [intan (diamond) = 10]
•    kelas 2 > skala 8 s/d 7

batu semi-mulia (semi precious stone) -----> sebagian artifisial, sintetik atau buatan
•    kelas 3 > skala 7 s/d 6 --------> [kuarsa (quartz) = 7]
•    kelas 4 > skala 6 s/d 5

batu tak-mulia (non-precious stone) -----> sebagian imitasi atau tiruan
•    kelas 5 > skala 5 s/d 4 ---------> [kaca (glass) = 5]
•    kelas 6 > skala 4 s/d 1

PERBEDAAN KRISTAL KUARSA ALAMIAH DAN SINTETIK

Jika material orisinal atau natural dihasilkan oleh alam, maka material artifisial atau sintetik dan imitasi diolah atau dipabrikasi oleh manusia. Sedangkan perbedaan antara sintetik dan imitasi adalah bahwa, jika material sintetik dibuat dari komponen asli penyusun material natural dan sesuai dengan strukutur aslinya, maka material imitasi dibuat dari bahan lain, tiruan, mirip atau serupa, dan biasanya dengan mutu rendah dan harga murah daripada bahan asli, misalnya dari kaca.

Perbedaan paling penting antara tipe kuarsa adalah bahwa, kristal kuarsa natural tampak kasar dan tak rata dan memiliki struktur makro-kristalin, dimana kristal invidual terlihat jelas dengan mata telanjang, sedangkan kristal kuarsa artifisial atau sintetik tampak halus dan seragam dan memiliki struktur mikro-kristalin atau disebut juga kripto-kristalin karena penampakan kristalnya tersembunyi, dimana kumpulan kristal bisa dilihat hanya dengan bantuan kaca-pembesar atau mikrosokop memiliki magnifikasi tinggi.

VARIETAS MAKRO-KRISTALIN KUARSA NATURAL

Kuarsa natural murni, secara tradisional disebut sebagai kristal karang, dan disebut juga kuarsa bening, tanpa warna dan bening. Varietas umum kuarsa warna mencakup sitrin (citrine), kuarsa mawar (rose quartz), kuarsa ungu (amethyst),  kuarsa asap (smoky quatz), dan kuarsa putih atau kuarsa susu (milky quatz).

Varietas makro-kristalin kuarsa berikut dinyatakan sebagai batu semi-mulia kelas 3 dengan skala Mohs 7 s/d 6.

• kuarsa bening (transparent quartz) atau kristal karang > tanpa warna, bening, jernih.
• kuarsa ungu (purple quartz) atau ametis (amethyst) atau martais (marthaise) atau kecubung ungu atau kecubung asihan > ungu, terang hingga gelap.
• kuarsa coklat atau kairngrom (cairngrom) atau kuarsa perunggu > merah tua gelap hingga coklat.
• kuarsa merah-darah atau batu-darah (bloodstone) atau helitrop (heliotrpe) > merah darah hingga meah kehitaman, buram.
• kuarsa merah-muda (pink quartz) atau kuarsa mawar (rose quartz)> merah muda, mawar kabus.
• kuarsa hijau atau prasiolit (prasiolite) > hijau muda sejuk, bening.
• kuarsa kuning atau sitrin > kuning, kuning kehijauan, jingga, jingga kemeraan, hingga coklat.
• kuarsa rutilasi (rutilated quartz) > mengandung rutil terperangan sebagai askular atau kembang jarum.
• kuarsa kelabu atau kuarsa asap > kelabu hingga hitam atau coklat, buram.
• kuarsa putih atau kuarsa susu > putih, kabus hingga buram.

Warna biasanya dianggap sebagai jejak atom titanium (Ti), ferrum (Fe) atau besi, atau mangan (Mn) dalam material masiv. Beberapa tipe kuarsa mengandung jarum rutil mikroskopik yang menghasilkan asterime atau percikan bintang dalam cahaya dilewatkan. Studi terbaru difraksi sinar-X menunjukkan bahwa warna tersebut adalah karena serat mikroskopik tipis dari kemungkinan dumortierit (dumortierite) dalam kuarsa besar. Warna dalam kristal tampaknya peka-cahaya dan cenderung memudar.

VARIETAS MIKRO-KRISTALIN KUARSA ARTISIAL ATAU SINTETIK

Varietas mikro-kristalin kabur atau kebanyakan buram, sedangkan varietas makro-kristalin bening. Bentuk mikro-kristalin silika yang terdiri dari bentukan antara dari dua kuarsa dan polimorf monoklinik moganit, secara umum dinamakan kalkedoni (chalcedony).

Varietas lain batu permata buram kuarsa, atau campuran karang termasuk kuarsa, kerap mencakup sabuk kontras atau pola warna, adalah akik (agate), akik-polos (onyx), karnelian (carnelian), dan yaspis atau yasib (jasper).

Varietas mikro-kristalin kuarsa berikut dinyatakan sebagai batu semi-mulia kelas 4 dengan skala Mohs 6 s/d 5.

• kalsedoni (chalcedony) > campuran dengan manganit, putih hingga berwarna terang, selainnya memiliki nama sendiri.
• aventurin (aventurine) > kalkedoni kabus, dengan kandungan kecil, biasanya mika yang berkilau.
• akik (agate) > bercorak dan dengan berbagai rona warna, semi-kabus hingga kabus.
• akik-polos (onyx) > akik tanpa corak, atau dengan sabuk lurus sejajar tetap dalam ukuran.
• yaspis (jasper) > merah hingga coklat, buram.
• mata harimau (tiger's eye) > serat emas hingga coklat-merah, menampakkan (chatoyancy).
• karnelian (carnelian) > jingga kemerahan, kabus.