FBE- Nano Bilim ve Nano Mühendislik

Bu topluluk için Kalıcı Uri

http://hdl.handle.net/11527/183

Nano Bilim ve Nano Mühendislik Ana Bilim Dalı altında bir lisansüstü programı olup, yüksek lisans ve doktora düzeyinde eğitim vermektedir.

Gözat

Alternatif Akim Kutupsaldevinim İle Polistren Parçaciklarin Yönlendirilmesi

(Fen Bilimleri Enstitüsü, 2013-08-15) Altınağaç, Emre ; Kızıl, Hüseyin ; 10009111 ; Nanobilim ve Nanomühendislik ; Nanoscience and Nanoengineering

Alternatif Akım Kutupsaldevinim (AAKD) eş dağılımsız elektrik alan altında yalıtkan parçacıkların hareketidir. Uygun koşullar altında biyoparçacıklar mikrosistemler içinde kutupsaldevinim ile yönlendirilebilirler. Ancak, kutupsal devinim mikrosistemler için tek etken kuvvet değildir. AA Elektrodevinim (AAED), AA Elektroosmoz (AAEO), AA Elektrotermal Etkiler (AAET) ve Brownian hareketi mikrosistemlerde belirli koşullar altında etken olan diğer kuvvetlerdir. AAEO ve AAET, alternative akım elektrokinetiğinde baskın hidrodinamik kuvvetlerdir. AAEO, düşük iletkenliğe sahip sıvı içinde elektrik alan ile elektriksel çift katmanın etkileşimi sonucu ortaya çıkmaktadır. AAET ise Joule ısınımı ile oluşan sıcaklık gradyanları sonucu ortaya çıkmaktadır ve sıvının iletkenliği ile doğru oranda artış göstermektedir. Bu çalışmada, her bir taşınma mekanizmasını incelemek için yongasal deneylikler üretilmiştir. Bu yongasal deneylikler, cam altlık üzerinde 200 nm kalınlıkta Ti elektrot ve numune tutucu görevi gören PDMS hazneye (3 mm x 3 mm) sahiptir. Standart fotolitografi ve fiziksel buhar biriktirme yöntemleri ile yongasal deneyliklerin üretimi gerçekleştirilmiştir. Işınır polistren mikroparçacıklar saf su içinde karıştırılarak deney numuneleri hazırlanmıştır. Farklı iletkenlikte karışımlar için NaCl eklenerek saf su iletkenliği arttırılmıştır. 1kHz - 5 MHz arasında değişmek üzere taşınım mekanizmalarının elektrik alan sıklığına ve parçacıkları içeren ortamın iletkenliğine bağlı olarak değişimi incelenmiştir. Deney sonuçları, bu alanda yapılan diğer çalışmaları doğrulayarak, düşük elektrik alan sıklığı altında parçacıkların ortama gore daha kutuplanabilir olduğunu ve artıl KD etkisi altında yönlendiğini göstermektedir. Yüksek elektrik alan sıklığında ise parçacıklar ortama gore daha az kutuplanmaktadır ve eksil KD etkisi altında yönlenmektedirler. Uygun elektrik alan sıklığı, ortam iletkenliği ve uygulanan elektriksel yük altında KD kuvveti diğer hidrodinamik kuvvetlerden baskın olmaktadır. AAEO düşük elektrik alan sıklığı altında ve düşük iletkenlikteki ortamda baskın olurken, AAET yüksek elektrik alan sıklığında ve yüksek iletkenlikteki ortamda baskın olmaktadır. Bu iki baskın kuvvet koşulları arasında, aKD ve eKD kuvvetlerinin baskın olduğu koşullar deneysel çalışmalar ile belirlenmiştir. Bu çalışmada alınan sonuçlar, güncel kutupsaldevinim çalışmaları ile alınan sonuçları da doğrulamaktadır. Doğru koşullar sağlandığında KD ile parçacıkların yönlendirilmesi sağlanabilmektedir.
Alternatif Akım Kutupsal Devinim İle Sürekli Akışta Polistren Parçacıkların Yönlendirilmesinin Comsol Simulasyonu

(Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015-06-15) Genç, Yavuz ; Trabzon, Levent ; 10074124 ; Nano Bilim ve Nano Mühendislik ; Nanoscience and Nanoengineering

Yakın gelecekte karmaşık ve çok işlevli yonga üstü sistemler ile bütün medikal uygulamalar yapılabilir hale gelecektir ve bu işi yapan aletler mevcut büyük boyuttaki laboratuvarları bir insanın avcuna sığdıracaktır. Bunların mümkün olması fizik, kimya, biyoloji gibi ana alanları harmanlayan disiplinler arası mikro ve nano teknoloji çalışmaları ile olacaktır. Yonga üstü sistemlerin pazarı git gide büyümektedir ve her geçen gün yapılan araştırmalar hem bilimin gelişmesine, hem yeni çözümlerin dünyaya sunulmasına olanak vermektedir. Bu alanda yapılan çalışmaların sayısı da her geçen gün katlanarak artmaktadır. 1950’li yıllarda ortaya atılan kutupsal devinim elektro kinetik bir taşıma mekanizmasıdır ve hızla gelişen mikro elektromekanik ve nano teknolojiden faydalanarak bu mekanizmanın yardımıyla biyolojik parçacıkların yönlendirilmesi yapılabilir. Bu yöntem ile DNA, protein, nanotüpler, nanoparçacıklar, mikro parçacıklar, canlı hücreler yönlendirilebilir, ayrıştırılabilir veya yakalanabilirler. Alternatif Akım Kutupsal devinim asimetrik elektrik alan altında yalıtkan parçacıkların hareketidir. Uygun koşullar altında canlı parçacıklar mikro sistemler içinde kutupsal devinim ile yönlendirilebilirler. Sürekli akış altında bu parçacıkların sıvının sürüklenme kuvveti ve kutupsal devinim kuvvetinin dengelenmesiyle ayrıştırılması mümkündür. Kutupsal devinimin yönü ve şiddeti Clausius-Mossotti etkenine (CM etkeni) bağlıdır. Bu etken uygulanan elektrik alanın frekansına, parçacık ve ortamın dielektrik sabitlerine göre pozitif ya da negatif olmaktadır. Eğer bir parçacık kendini saran ortama göre daha çok kutulanabilirse CM etkeni pozitif ve parçacık üzerine etki eden kutupsal devinim kuvveti de pozitif olmaktadır. Benzer şekilde parçacık kendini saran ortama göre daha az kutuplaşabiliyor ise CM etkeni ve parçacık üzerine etki eden kutupsal devinim kuvveti negatif olmaktadır. Pozitif kutupsal devinim etkisi altında parçacık elektrik alanın yoğun olduğu bölgelere doğru yönlenirken, negatif kutupsal devinim etkisi altında parçacık elektrik alanın düşük yoğunlukta olduğu bölgelere doğru yönlenmektedir. Pozitif kutupsal devinimin etkin olduğu polistiren parçacık ve saf su karışımında farklı boyuttaki parçacıklar farklı miktarlarda kutupsal devinim kuvvetine maruz kalacaktır. Bu özellik kullanılarak sıvının sürüklenme kuvvetinin sadece bir parçayı yolundan saptırmadan diğerine etki ederek mikro kanal içinde ayrıştırılması sağlanabilir. Bahsedilen sistemin tasarımı, basit ve gerçekçi simülasyonları, istatistiksel optimizasyonu ve deneyleri bu tez kapsamında yapılan çalışmaların ana hatlarını oluşturmaktadır. Tasarım aşamasından literatür taraması yapılmıştır ve bu tarama sonucunda birbirine geçmeli elektrotlar ile polistiren parçacıkların ayrıştırılmasının yapıldığı görülmüştür. 45 derece açılı birbirine geçmeli elektrotlar ile iki girişi ve iki çıkışı olan bir tasarım yapılarak L-EDIT ile maskeleri hazırlanmıştır. Ayrıca yine bu geometriler göz onuna alınarak sistemin basitleştirilmiş ve gerçekçi simülasyonları hazırlanmıştır. Parçacık üzerine etkiyen kutupsal devinimin yönünü, akış nedeniyle doğan kuvvetlerin yönünü belirlemek için COMSOL Multiphysics 4.3a yazılımı ile elektrostatik ve akış çözümlemeleri yapılmıştır. Farklı akış hızlarında ve potansiyellerde uygulanan koşullara göre potansiyel değişimleri, elektrik alan şiddetleri, kutupsal devinim yönü akış profili, parçacık hareketleri bu yazılım ile incelenmiştir. İki farklı simülasyon yapılmıştır ve bunların ilki basitleştirilmiş, sadece iki elektrot çiftinin modellenmesi ve bu modelin çözümünün bağlı olduğu akış hızı, elektrik potansiyeli ve parçacık çapının istatistiksel bir yazılım olan Minitabtaki Yanıt Yüzeyi metodu ile optimizasyonunun yapılmasında kullanılmıştır. Bu optimizasyon çalışması yüksek kapasiteli bilgisayar donanımına ihtiyaç duyduğu için ikinci model olan ve 43 adet elektrot çifti içeren daha karmaşık modelde kullanılmamıştır. İkinci modelin analiz sonuçları verilmiş ve bunun doğrulanması için yapılan deneylere geçilmiştir. Gerçekçi olarak oluşturulan Comsol modelinin ve basitleştirilmiş modelin üzerinden, elektrik potansiyelleri 3 boyutlu olarak çizdirilmiş ve bunların değerleri grafiksel olarak gösterilmiştir. Sonrasında bu elektrik potansiyeline bağlı olarak oluşan 3 boyutlu elektrik alan çizdirilmiş ve elektrotların kanal boyunca nasıl bir elektrik alan oluşturdukları, elektrik alan kuvveti grafiksel olarak verilmiştir. Elektrik alan simülasyonları sonrasında akış simülasyonu yapılmıştır. Burada kanal girişlerinin birinden gerçek modele uygun olarak parçacık ve saf su karışımı diğerinden sadece saf su girişi tanımlanmıştır. Oluşan akış profilleri 3 boyutlu olarak verilmiş ve bunların grafiksel olarak kanal girişi, ortası ve çıkışındaki değerleri paylaşılmıştır. Elektrik alan ve akış simülasyonlarından elde edilen çözümler parçacık izleme modülüne tanımlanarak parçacıkların ve saf suyun kutupsal devinim özellikleri verilerek parçacık hareketleri 3 boyutlu olarak elde edilmiştir ve bunların ortalama kanal boyunca hareketleri grafiksel olarak verilmiştir. Ek olarak parçacıkların bu hareketleri sırasında maruz kaldıkları sıvının sürüklenme ve kutupsal devinim kuvvetinin etkileri gösterilmiştir ve parçacıkların nasıl ayrıştırıldığı açıklanmıştır. Simülasyonun yapıldığı ve ayrışmanın görüldüğü parametreler (voltaj, akış hızı, parçacık çapı) belirlenerek deney ile simülasyonların doğruluğunun tespitinin yapılmasına olanak tanınmıştır. Deneylerin yapılması için tasarımı paylaşılan yonga-üstü sistem üretilmiştir. Bu yonga-üstü sistem, cam altlık üzerinde 200 nm kalınlıkta Ti elektrot ve akışkanın bu elektrot üzerinde konumlanmasını sağlayan PDMS kanala sahiptir. Standart fotolitografi ve fiziksel buhar biriktirme yöntemleri ile yonga tabanlı deney düzenekleri üretimi gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada AZ 1505 pozitif fotorezist cam altlık üzerine döner kaplama cihazı ile 400 nm kalınlıkta olacak şekilde kaplanmıştır. Cam altlıkların temizlenmesi fotorezistin yüzeye daha iyi kaplanabilmesi ve eş dağılımlı bir yüzey elde edilmesi için çok önemlidir. Cam altlıklar 1 molar KOH çözeltisinde 10 dakika ultrasonik karıştırıcı içerisinde bekletilmiş, saf su ile banyo edildikten sonra aseton dolu bir kapta ultrasonik karıştırıcı içerisinde 10 dakika bekletilmiştir. Sırasıyla alkol ve saf su ile banyo edilip kurutulmuştur. Elektron ışını ile buharlaştırma yöntemi kullanılarak Ti hedef malzemeler buharlaştırılmış ve fotorezist kaplı cam altlıklar üzerine Ti kaplaması yapılmıştır. Üzerinden akım geçen filament kopan elektronlar, manyetik saptırıcılarla Ti yüklü pota üzerine düşürülerek, hedef metalin buharlaşmasını sağlamaktadır. Fotorezist kaplı cam altlıklar üzerine 200 nm Ti kaplandıktan sonra, fotorezist aseton ile çözündürülüp yüzeyden uzaklaştırılmış ve istenilen tasarımlarda elektrotlar cam yüzey üzerinde elde edilmiştir. Sonrasında ayrıştırılmak istenen parçacıklar ve saf su çözeltisini elektrotlar üzerinde geçirebilmek için gereken PDMS kanal üretilmiştir. PDMS, sıvı haldeki katılaştırıcısı ile birlikte ticari olarak satılan silikon temelli bir polimerdir. PDMS 1:10 oranında katılaştırıcı ilave edilerek karıştırılmıştır ve silikon yonga plakası üzerinde bulunan SU-8’ten yapılmış erkek kanal geometrisi üzerine dökülmüştür. PDMS kanalın oluşturulması için hazırlanan SU-8 20 µm kalınlığındadır. SU-8 ticari olarak satılan bir negatif fotorezisttir ve fotolitografi yardımı ile karanlık maskeden kanal geometrisi silikon yonga plakasında oluşturulmuştur. PDMS kanal son işlem olarak akışkan girişi ve çıkışını sağlamak için mikro delgeç ile delinmiştir. Oluşturulan elektrot ve PDMS kanalın birleştirilmesi için oksijen plazma altında yüzeyleri aktif hale getirilmiş ve sonrasında metil alkol ile kayganlaştırıcı tabaka oluşturularak mikroskop altında hizalanmıştır. Birleştirilen elektrot ve kanal vakum altına alınarak ısıtılmış ve alkol uzaklaştırılıp kuvvetli bir yapışma elde edilmiştir. Bu işlemden sonra parçacıkların kanala yapışmasını engellemek için protein çözeltisi hazırlanmış ve bu çözelti kanal içerisinde bekletilmiştir. Sonrasında saf su ile kanaldan uzaklaştırılmıştır. Yonga tabanlı sistemde akışkanın girişleri ve çıkışlarına ince borular takılmış ve bu borular mikro şırıngalara bağlanmıştır. Bu şırıngalarda mikro pompa olarak adlandırılan iticiler ile hareket ettirilerek kanalda akış sağlanmıştır. Elektrotlarda iki bileşenli iletken yapıştırıcı yardımıyla bakır kablolar ile sinyal jeneratörüne bağlanmıştır. Kanal tasarımında iki giriş ve iki çıkış mevcuttur ve bunların birine parçacık karışımı olan saf su, diğerine sadece saf su bağlanmıştır. Sonrasında floresan özelliği olan polistiren parçacıklar mikroskop altında asimetrik elektrik alandan geçirilerek incelenmiştir. Deney simülasyonun yapıldığı voltaj ve akım değerlerinde yapılarak sonuçlar elde edilmiştir. Simülasyonun sonuçları deneylerin sonuçları ile örtüşmektedir ve bu simülasyonun doğruluğunu göstermektedir. Parçacıklardan 3.2 µm çapındaki kırmızı parçacıklar kanalın üst çıkışından, 9.8 µm çapındaki yeşil parçacıklar kanalın alt çıkışından çıkarak ayrıştırma sağlanmaktadır. Comsol konferanslarında ve forumlarında kutupsal deviniminim 3 boyutlu olarak simüle edilmesi konusunda giderek artan bir çalışma yoğunluğu vardır ve bu çalışma örnek teşkil etmektedir. Yapılan bu çalışma ile ayrıştırılması başarılan mikro parçacıklar gibi canlı hücrelerde ayrıştırılabilirler. Bu sistemler tasarlanırken Comsol ve Minitab gibi programlar kullanılarak tasarım zamanları düşürülebilir ve üretim öncesinde sistemler optimize edilebilirler. Ek olarak mevcut sistemler modellenerek farklı parçacıkların üzerindeki etkilerine bakılabilir veya oluşturulan geometrilerde iyileştirme çalışmaları yapılabilir. TUBITAK tarafından 111M730 proje numarası ile desteklenen bu proje süresince ulusal ve uluslararası konferanslara özetler, makaleler yollanmış ve sunumlar yapılmıştır.
Biyobenzetim Yöntemiyle Silisyum Tabanlı İnce Film Yansıtmayan Kaplama Üretimi

(Fen Bilimleri Enstitüsü, 2013-09-03) Balaban, Mümin ; Kızıl, Hüseyin ; 10014355 ; Nanobilim ve Nanomühendislik ; Nanoscience and Nanoengineering

Nanobilim ve nanoteknoloji malzeme ve sistemleri 1-100 nanometre boyut aralığında ele alır. Bu alanda yapılan çalışmaların esas ayırt edici özelliği boyutsal minyatürizasyonun yanında malzeme ve sistemlerin nano ölçekte makro ölçekten farklı olarak yeni ve fonksiyonel özellikler göstermeleridir. Aslında bahsedilen bu fenomen doğadaki birçok canlının yapısında milyonlarca yıldır bulunmaktadır. Atomik kuvvet mikroskobunun icadıyla beraber nano ölçekte atomların karakterizasyonu ve manipülasyonu mümkün hale gelmiştir. Böylece doğadaki ürün ve süreçlerden esinlenilerek ya da bunlar taklit edilerek yeni ve fonksiyonel malzemelerin üretilmesinin önü açılmıştır. Biyomimetik adı verilen bu çalışma alanı sunduğu fırsatlar nedeniyle özellikle son on yılda büyük önem kazanmıştır. Güvelerin bütünleşik göz yapıları mikroskobik olarak incelendiğinde yüzeylerinde altıgen düzende dağılmış emzik benzeri periyodik nanoyapılar görülür. Bu nanoyapılar arasındaki merkezlerarası mesafe 300 nanometrenin altındadır. Görünür ışığın dalgaboyunun (380-780 nanometre) altında bir periyotla tekrar eden bu emzik benzeri nanoyapılar kırıcılık indisinde kademeli değişime neden olurlar. Böylelikle güve gözleri geniş bir dalgaboyu aralığında, neredeyse gelme açısından bağımsız olarak yansıtmama özelliği gösterir. Cicada sineğinin kanatlarında da benzer bir yüzey yapısı mevcuttur. Su sevmeyen özellik gösteren yüzey yapısı sayesinde Cicada sineğinin kanatları kirlenmeme fonksiyonuna sahiptir. Bu tez çalışması kapsamında güve gözlerinde ve cicada sineğinin kanatlarında bulunan bu özel yüzey yapısı taklit edilerek, geniş bir dalgaboyu aralığında etkin performans gösteren ve aynı zamanda kendi kendini temizleme fonksiyonuna da sahip olan silisyum temelli yansıtmayan ince film kaplamaların geliştirilmesi amaçlanmaktadır. Kristal yapıdaki silisyum güneş pili uygulamalarında kilit role sahip olan bir malzemedir. Bununla birlikte yüksek kırıcılık indisine sahip olması nedeniyle yüzeyine gelen ışık ışınlarının % 30’undan fazlasını geri yansıtır. Bu durumdan kaynaklanan enerji kayıplarını azaltmak üzere endüstride standart olarak plazma destekli kimyasal buhar biriktirme yöntemiyle imal edilen silisyum nitrit tabanlı ince film yansıtmayan kaplamalar kullanılır. Bu kaplamalar imalat süreçlerinin pahalıya mal olması yanında genellikle 600 nanometre civarındaki dalgaboylarında etkin performans gösterebilirler. Yakın kızılötesi ve görünür dalgaboyu rejimi için geriyansıtmadan kaynaklanan enerji kayıplarında hızlı bir yükseliş söz konusudur. Buna karşın güve gözleri taklit edilerek üretilen ince film yansıtmayan kaplamalar geniş bir dalgaboyu aralığında etkin olarak çalışırlar. Görünür ışığın dalgaboyu altında bir periyodisiteye sahip nanoyapılı silisyum yüzeyler bugüne kadar elektron ışın demeti litografisi, nanobaskı litografisi ve arayüz litografisi gibi çeşitli yukarıdan aşağıya imalat yöntemleri kullanılarak üretilmiştir. Fakat, bahsedilen bu yöntemlerin hem sofistike cihazlar gerektirmesi hem de üretim maliyetlerinin yüksek olması endüstriye uygulanabilirliklerini kısıtlamaktadır. Yakın zamanda Florida Üniversitesi’nden Dr. Peng Jiang liderliğindeki araştırma grubu biyobenzetim yöntemiyle cam ve silisyum malzeme tabanlı yansıtmayan ince film kaplamaların imalatına yönelik olarak kolloidal şablonlama temelinde bir yaklaşım geliştirmiştir. Bu yaklaşım basit ve ölçeklenebilir bir spin kaplama tekniği esasına dayanmakta ve böylelikle kolloidal kristallerin birbirine değmeyen bir yerleşim düzeni içerisinde standart altlık malzeme üzerine kaplanması mümkün hale gelmektedir. Geliştirilen kolloidal şablonlama prosedüründe ilk önce homojen boyut dağılımına sahip ve görünür ışığın dalgaboyundan daha küçük ortalama boyutlarda olmak üzere SiO2 kolloidal partikülleri sentezlenir. Daha sonra bu partiküller ETPTA monomeriyle karıştırılır. Bu karışıma gerekli miktarda fotobaşlatıcı madde eklendikten sonra, hazırlanan çözelti spin kaplama yöntemiyle silisyum altlık malzemesi üzerine kaplanır. Spin hızı ve zamanı kaplamanın tek katmanlı olmasını sağlamak üzere ayarlanmalıdır. Spin kaplama işleminden sonra, monomerin fotopolimerizasyonunu sağlamak üzere kaplama kısa dalgaboylu ultraviyole ışıması altında kürlenir. Bu aşamadan sonra ardışık O2 ve SF6 kuru reaktif iyon aşındırma prosesleri uygulaması sonucunda silisyum altlık malzemesinin yüzeyinde istenen desen oluşturularak şablonlama işlemi tamamlanmış olur. Tezin amacını gerçekleştirmek için gerekli olan fabrikasyon işlemlerinin ilk basamağında dar bir boyut toleransına sahip olan 500 nanometrenin altındaki boyutlarda küresel SiO2 kolloidal partiküllerinin sentezlenmesi amaçlanmıştır. Sentez işlemi için Stöber tarafından önerilen sol-jel benzeri yöntem kullanılmıştır. Sentez prosesi sırasında silisyum kaynağı olarak tetraetil ortosilikat (TEOS), katalizör olarak amonyum hidroksit, hidroliz için ultra saf su ve çözücü olarak da etanol kullanılmıştır. Geniş bir başlangıç reaktif derişimleri aralığında (TEOS: 0.15-0.25 M, NH4OH: 0.25-2.75 M, H2O: 0.5-17.0 M) ve farklı reaksiyon sıcaklıklarında (25-35 °C) çok sayıda deney yapılarak her bir etkenin sentezlenen son partikül boyutu ve partikül boyut dağılımı üzerindeki etkisi saptanmıştır. Elde edilen sonuçlar hem partikül şekli hem de partikül boyut dağılımı açısından oldukça başarılıdır. Deneysel çalışmalar sırasında ilk aşamada su ve tetraetil ortosilikat konsantrasyonlarının küresel SiO2 kolloidal partiküllerinin ortalama boyutu ve boyut dağılımı üzerindeki etkileri detaylı olarak incelendi. Bu inceleme kapsamında 0.75 M sabit amonyum hidroksit konsantrasyonunda ve kontrollü oda koşullarında (22 ±1 °C) toplam 26 adet deney yapıldı. Tetraetil ortosilikat konsantrasyonu ilk 13 deney için 0.15 M, ikinci 13 deney için ise 0.25 M değerine sabitlendi ve her iki deney serisi için de su konsantrasyonu 0.5-17 M aralığında yavaş yavaş arttırıldı. Düşük su konsantrasyonunda (0.5 M) yapılan iki adet deneyin sonucunda küresel olmayan şekle sahip SiO2 partikülleri sentezlenmiştir. Geri kalan 24 adet deneyin sonucunda ise 43.8-469.2 nanometre ortalama boyut aralığında küresel SiO2 kolloidal partikülleri başarıyla sentezlenmiş, ayrıca partikül boyut dağılımı için elde edilen en yüksek standart sapma değeri % 17.6 olarak gerçekleşmiştir. Su konsantrasyonunun kademeli olarak arttırılması ilk etapta ortalama partikül boyutlarının artmasına neden olmuştur. Bu artış sonucunda 7 M su konsantrasyonu civarında en yüksek ortalama partikül boyutları elde edilmiştir. Su konsantrasyonunun daha da arttırılması ortalama partikül boyutlarını düşürücü etki göstermiştir. Tetraetil ortosilikat konsantrasyonunun 0.15 M’dan 0.25 M’a yükseltilmesi 3 M’dan daha yüksek su konsantrasyonlarında daha büyük SiO2 kolloidal partiküllerinin sentezlenmesine sebep olmuştur. Deneysel çalışmaların ikinci aşamasında amonyum hidroksit konsantrasyonu ve reaksiyon sıcaklığının küresel SiO2 kolloidal partiküllerinin ortalama boyutu ve boyut dağılımı üzerindeki etkileri toplam 12 adet deney yapılarak kapsamlı bir biçimde araştırıldı. Bu deneyler için tetraetil ortosilikat ve su konsantrasyonları sırasıyla 0.15 ve 3 M olarak belirlendi ve iki farklı reaksiyon sıcaklığında (25 ve 35 °C) çalışıldı. Her iki reaksiyon sıcaklığında 6 adet deney yapıldı ve bu deney setlerinin içerisinde amonyum hidroksit konsantrasyonu 0.5 M’lık artışlarla 0.25-2.75 M aralığında değiştirildi. Düşük amonyum hidroksit konsantrasyonunda (0.25 M) yapılan iki adet deneyin sonucunda küresel partikül şekli elde edilememiştir. Geri kalan 10 adet deneyin sonucunda 79.6-492.4 nanometre ortalama boyut aralığında küresel SiO2 kolloidal partikülleri boyut dağılımında maksimum % 11.4’lük bir standart sapma değeri ile sentezlenmiştir. Küresel SiO2 kolloidal partiküllerinin ortalama boyutlarında 0.75-2.25 M amonyum hidroksit konsantrasyonu aralığında sanki-doğrusal bir artış eğilimi gözlenmiştir. En yüksek ortalama partikül boyutu değerlerine 2.25 M amonyum hidroksit konsantrasyonunda ulaşıldıktan sonra amonyum hidroksit konsantrasyonunun daha da arttırılması ortalama partikül boyutlarında düşmeye neden olmuştur. Reaksiyon sıcaklığının 25 °C’den 35 °C’ye çıkartılması ortalama partikül boyutlarını düşürücü etki göstermiştir. Fabrikasyon işlemlerinin ikinci basamağında ise literatürde sunulan bir yöntem kullanılarak daha önce sentezlenen homojen boyut dağılımına sahip farklı boyutlardaki SiO2 kolloidal partikülleri ETPTA monomeriyle karıştırılarak, spin kaplama metoduyla silisyum altlık üzerine tek tabaka olarak kaplanacaktır. Bu kaplama ultraviyole (UV) ışığıyla kürlendikten sonra reaktif iyon aşındırma prosesinde maske olarak kullanılacak ve böylelikle silisyum altlık yüzeyinde doğadakine benzer bir yüzey yapısı oluşturulacaktır. Son olarak hazırlanan yüzeylerin reflektans ve temas açısı karakterizasyonları yapılacaktır. Üretim yönteminin daha düşük maliyetli olması ve üretilen kaplamaların daha geniş bir dalgaboyu aralığında yüksek performans göstermesi nedeniyle, sunulan yöntemin halihazırda plazma destekli kimyasal buhar biriktirme yöntemiyle (PECVD) üretilen SiNx tabanlı ince film yansıtmayan kaplamaların yerini alabileceği düşünülmektedir.
Biyolojik Tespit Uygulamaları İçin Pıezoresıstıve Mikrokantilever Tasarım, Simülasyon Ve Analizi

(Fen Bilimleri Enstitüsü, 2017-02-2) Ahmed, Amal ; Trabzon, Levent ; 10135374 ; Nano Bilim ve Nano Mühendislik ; Nano Science and Nano Engineering

Son on yılda, çeşitli araştırma çalışmaları, Biyolojik Mikroelektromekanik Sistem (Bio-MEMS) biyosensörlerinin Deoksiribonükleik Asit (DNA), proteinler, Bakteri ve Antijenler gibi biyomolekülleri belirleme yeteneğini ortaya koydu. Ancak, numunelerde tespit edilmesi gereken analitlerin düşük konsantrasyonundan dolayı, sensörün çıktısına ufak bir sinyal neden olur. Buna cevap olarak, numunedeki birkaç analitin bulgulanmasına yanıt olarak yüksek çıktı sinyali verebilen optimize edilmiş bir biyosensör için bir ihtiyaç ortaya çıkmıştır; Nihai hedef tek bir biyomoleküle yapışmayı ölçülebilir bir miktara dönüştürmektir. Bu amaçla, basit, ucuz, oldukça hassas ve daha önemlisi analitlerin optik etiketlenmesine ihtiyaç duymadığı için (Etiketsiz), MEMS mikrokantilever tabanlı biyosensörler umut verici bir algılama çözümü olarak ortaya çıkmıştır. Farklı mikrokandilever ileten teknikler arasında, piezoresistif tabanlı mikrokantilever biyosensörler, ucuz, yüksek hassasiyetli, minyatür olan, sıvı ortamlarda iyi çalışan ve entegre okuma sistemi olan cazip bir çözüm gibi gözükmektedir. Literatürde piezoresistif mikrokolantların hassasiyetini arttırmaya odaklanan birçok yayın olmasına rağmen, sırf birkaç tasarım ve işlem parametresini optimize etmeyi düşündükleri için sonuçta elde edilen hassaslık arttırmaları pratik uygulamalar için yetersiz kalıyordu. Literatürde yapılan çalışmanın analizinden sonra, Piezoresistif mikrokandilöre dayalı sensörlerin hassasiyetini arttırmak için optimize edilebilen / kullanılabilen parametreler / yaklaşımlar: kantilever boyutları, kantilever Malzemesi, kantilever şekli, Piezoresistör malzemesi, Piezoresistör Doping seviyesi, Piezoresistör Boyutları, Piezoresistörün konumu, Stres konsantrasyon Bölgesinin (SCR) şekli ve konumu. Bu çalışmada, tüm tasarım ve işlem parametrelerinin duyarlılık üzerindeki etkisini analizi yapıldıktan sonra, kademeli optimizasyon yaklaşımı geliştirilmiş. Bu yaklaşımında neredeyse tüm parametreleri , her adımda biri olmak üzere, değiştirerek öbtimsyon yapılmış ve öyleyse hassasiyet maksimum düzeyde olmasını sağlamıştır. Bu çalışma boyunca, sensör performansını simüle etmek için ticari bir Sonlu Elemanlar Analizi (FEA) aracı olan COMSOL Multiphysics 5.0 kullanıldı. Her bir optimizasyon adımında, aynı uygulanan kuvvet için piezoresistor bölgelerindeki gerilimi en üst düzeye çıkaracak ve yoğunlaştıracak şekilde parametrenin optimize edilmesi hedefi daha yüksek duyarlılık elde etmektir. Toplamda, son optimize edilmiş sensörü elde etmek için neredeyse 46 farklı simülasyon yapıldı. Biyolijik uygulamalarında kullanılan etkileşimli kuvvetler onlarca ila yüzlerce pN arasında olduğu için, bu sensörde kullanılacak 25 ila 250 pN aralığı seçilmiştir. Optimizasyon işlemindeki tüm simülasyonlar sırasında 250 pN'lik bir toplam xxvi dağıtılmış kuvvet, analitlerin sensöre bağlanmasını temsil eden Altın katmanın üzerine uygulanır. Başlangıç olarak sırasıyla uzunluk, genişlik ve kalınlık için boyutları (200μm × 120μm × 1.5μm) olan dikdörtgen bir tek kristal Silicon Microcantilever kullanılmıştır. Konsolun üst kısmında, analitlerin tutturulması için 100μm × 100μm × 0.2μm Gold katmanı kullanılırken, piezo rezistanslı algılama için 20μm × 5μm × 0.5μ dikdörtgen polisilik piezoresistor kullanılır. Burada kullanılan piezoresistor, 1 x 1016 cm-3 'lük bir p-tipi dopant yoğunluğuna, 400 nm'lik bir kalınlığa ve 1V'lık uyarılma voltajına sahiptir. Dikdörtgen bir konsoldan başlamak üzere piezoresistor malzemesi ve doping seviyesi iki aşamada optimize edilmiştir. Piezistoristor malzemesi değiştiğinde (tek kristal silikon ve Poly-silikon), tek kristal silikon durumunda ΔR / R duyarlılığının daha yüksek olduğu bulundu. Fakat bu sensör tasarımı için, hassasiyet kristal yönüne bağlı olmayan, sensör imalatı daha kolay, daha ucuz ve ITUnano laboratuarında gerçekleştirilebildiğinden, piezoresistor malzemesi olarak polisilikon seçilmiştir. Sonra, doping düzeyini 1 x 1015 cm-3 ile 1 x 1020 cm-3 aralığında değiştirerek ve ΔR / R hassasiyetini hesaplayarak, aşağıdaki simülasyonlar boyunca kullanılacak doping seviyesi belirlendi. 1 × 1018 cm -3 doping seviyesinin, termal gürültü etkisini azaltacak kadar yüksek olduğu, aynı zamanda duyarlılığın da o kadar fazla etkilemediği görülmektedir. Böylece, bu doping seviyesi tüm sonrakı simülasyonlar boyunca seçildi ve kullanıldı. Daha sonra konsol malzemesi, aynı uygulanan kuvvet için maksimum gerilme ve sapma sağlayan malzeme bulmak için çeşitlendirilir. Beklendiği gibi, farklı konsol malzemeler, farklı maksimum sapma ve gerilme değerleri verdi. Elde edilen bulgulara göre, Silikon Dioksit (SiO2) düşük genç modül değerleri nedeniyle diğer malzemelere kıyasla en yüksek azami sapma ve gerilme değerlerine sahip olduğu bulundu.Tekli kristal silikon (başlangıç konsol malzemesi) durumunda olduğu gibi SiO2'nin neredeyse 2.5 kat daha yüksek sapma ve 1.7 kat daha yüksek hassaslık ile sonuçlandı ve böylece bu biyosensörün konsol malzemesi olarak SiO2 seçildi ve aşağıdaki optimizasyon adımlarda kullanıldı. Daha sonra, çeşitli konsol şekilleri (Dikdörtgen, Pi-şekli, T-şekli, Trapezoid, Kademeli-Trapezoid ve Üçgen) tanıtıldı ve her şekil için boyutlar, işlem ve cihaz sınırlamaları göz önünde bulundurularak değiştirildi. Bütün bu simülasyonların sonuçları, maksimum hassaslığı veren optimize şekli bulmak için karşılaştırıldı. Dikdörtgen şekil mikrokantilever optimizasyon adımı sırasında konsol kalınlığının konsol uzunluğu ve genişliğindeki değişimle karşılaştırıldığında sensör hassasiyeti üzerinde en yüksek etkiye sahip olduğu bulunmuştur. Konsol kalınlığı 3μm ve 1.5μm arasında değiştiğinde, konsol kalınlığı azaldığında duyarlılık arttığı bulundu. 1.5μm kalınlıktaki konsolun kullanılması, 3μm kalınlıktaki konsoldan 4 kat daha fazla yüksek hassasiyet göstermiştir. Böylece, 1.5μm son optimize konsol kalınlığı olarak seçildi. Konsol uzunluğu 150μm ila 350μm arasında değiştirildiğinde, konsol uzunluğu arttıkça hassasiyet artmaktadır. Elde edilen sonuçlara göre, 350μm uzunluğunda konsolun 150μm uzunluğundaki konsoldan yaklaşık 3.5 kat daha yüksek bir xxvii hassaslık verdiğini görüyoruz. Böylece, 350μm son optimize konsol uzunluğu olarak seçildi. Konsol genişliği 120μm ve 250μm arasında değiştirildiğinde, konsol genişliği arttıkça hassasiyet azalmaktadır. Elde edilen sonuçlara göre, 120μm genişlikli konsolun 250μm genişliğinde konsoldan 2.4 kat daha yüksek bir hassaslık verdiğini görüyoruz. Böylece, 120μm son optimize konsol genişliği olarak seçildi. Buna ek olarak, farklı dikdörtgen mikrokantilever boyutları optimize edildikten sonra (uzunluk, genişlik ve kalınlık), duyarlılık 18.3x kat arttı. Ayrıca, dikdörtgen konsol yapısına (T şekli) iki yan delik eklenmesi, duyarlılığı 1,6 oranında arttırmıştır. Farklı trapezoid biçimli konsollardan elde edilen sonuçlardan, sıkıştırılmış konsol kenarı ile serbest kenar arasındaki 1:4 oranındaki yapının en yüksek maksimum von Mises stresini ve en yüksek duyarlılığı verdiğini görülebilir. Bunların 1:1'lik durumundan (optimize edilmiş dikdörtgen konsol) neredeyse 2.5 kat daha fazla hassasiyet vardır. Böylece, bu tasarım optimize edilmiş yamuk şeklinde konsol tasarımı olarak seçildi. Farklı basamaklı trapezoid şekilli konsollardan elde edilen sonuçlara göre, sıkıştırılmış konsol kenarı ile serbest kenara arasındaki oran 1: 4 olan yapıda, en yüksek maksimum von Mises gerilmesi ve en yüksek duyarlılık görülürken, bunun neredeyse 2.5 kat arttığı görülmektedir 1: 1'den daha büyüktür (optimize edilmiş dikdörtgen konsol). Böylece, bu tasarım optimize edilmiş basamaklı trapez şeklinde konsol tasarımı olarak seçildi. Aynı uygulanan kuvvet için, trapez şeklinde mikrokancilever tasarımı, başlangıç sensöründen 46 kat daha fazla daha yüksek hassasiyet vermiştir Hassasiyet), Kademeli-Trapezoid şekli en fazla azami sapma göstermiştir. Ardından, daha fazla duyarlılık geliştirme arayışında olan farklı konum ve yönlerde optimize trapezoid yapıda Stres Yoğunlaştırma Bölgesi (SCR) tanıtıldı. Simülasyonlardan, kelepçelenmiş konsol kenarından 15μm uzakta bulunan optimize edilmiş trapezoid yapıya 30μ × 10μm SCR dikdörtgen bir delik açılmasının, diğer konumlara kıyasla en iyi hassasiyet değerini veren neredeyse 1.6x kat daha fazla hassasiyet artışı sağladığı bulundu. Nihai sensör duyarlılığı, uygulanan kuvvete karşı dirençteki normalize edilmiş değişim açısından -1.5×10-8 Ω/Ω ⁄pN 'ye eşittir. Bu, her bir 1pN (10-10 g) için biyomoleküllerin bu biyosensöre tutunması için, piezoresistor direnci 1.5×10-8 Ω kadar azalacaktır. Başlangıç sensörüne kıyasla, son sensör tasarımı 73.5x kat daha iyi ΔR / R duyarlılığı sağlamış ve daha önce literatürde bildirilen diğer sensör tasarımlarına göre daha duyarlıdır. Bu sensörün üretim sırası hazırlanmış ancak ITUnano laboratuvarında bulunan bazı cihazlarda teknik problemler nedeniyle sensör üretilmemiştir. Gelecekteki bir çalışma olarak, önerilen imalat dizisi sensörü imal etmek ve sonuçları simülasyon sonuçları ile karşılaştırmak için kullanılacaktır. Simülasyon sonuçlarına göre, konsol kalınlığı ve piezoresistor kalınlığı sensör hassasiyetini kolayca etkiler. Bu tasarımda silisyum dioksit konsol ve polisilikon piezoresistor için en düşük kalınlık sınırı olarak 1.5μm ve 0.5μm ayarlandı. Aynı tasarım için bu malzemelerin daha ince katmanlarının kullanılması duyarlılığın daha da artmasına neden olacaktır.
Boya Uyarımlı Güneş Pillerinin Üretimi Ve Üretim Parametrelerinin Optimizasyonu

(Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015-09-14) Şimşek, Ramazan ; Kılıç, Ali ; 10087826 ; Nano Bilim ve Nano Mühendislik ; Nanoscience and Nanoengineering

Enerji gereksinimine duyulan ihtiyaç her geçen gün giderek artmaktadır. Bu ihtiyacın karşılanması için kullanılan kaynakların tüketimi neticesinde ortaya çıkan karbon salınımının çevreye zararlı olduğu bilinmektedir. Çevreye daha az yük getiren ve ekonomik açıdan daha uygun olan yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı ön plana çıkmıştır. Bu kaynakların kullanımı ülkemiz için de öncelikli alanlardan biridir. Temiz ve ucuz yenilenebilir enerji kaynağı olan güneş enerjisinin kullanımı için hali hazırda kullanılan silikon bazlı güneş pillerinin üretim teknolojisi ve maliyeti dikkate alındığında insanoğlu daha rantabl çözümler arayışına girmiştir. Dünyanın toplam enerji ihtiyacı 2010 itibariyle 5x1020J seviyelerini yakaladığı tahmin edilmekte ve bu değerin önümüzdeki 20 yıl boyunca yıllık %2 artış göstereceği öne sürülmektedir. Uluslararası Enerji Ajansı’nın 2010 yılı verilerine göre günlük 85 milyon varil petrol, 3milyon ton kömür tüketilmektedir. Bu miktarda tüketim baz alındığında fosil kaynakların 40-60 yıl arasında ekonomik ömrünün kaldığı hesaplanmaktadır. Diğer yandan insan sağlığı, çevre ve iklim üzerinde her geçen gün bir başka zararı keşfedilen sera gazlarının fosil yakıt tüketiminden kaynaklanması yenilenebilir enerjiye yönelimi zorunlu kılmaktadır. Yenilenebilir enerji şirketler ve ülkeler için önemli bir sektör ve rekabet kalemidir ve yakın gelecekte öneminin daha da artacağı beklenmektedir. Ülkemiz açısından bakıldığında ise enerji faturasının toplamda 60 milyar doları bulduğu gözlenmektedir. Artan sınai üretim sebebiyle bu rakam her yıl yaklaşık %9 büyüme kaydetmektedir. 2023 itibariyle enerjinin %30’unun yenilenebilir kaynaklarından eldesi hedeflenmiştir. Bu açıdan güneş enerjisi oldukça kritik bir kaynak olarak karşımıza çıkmaktadır. Bunun yanı sıra fotovoltaik teknolojileri pazarı 1997’den beri yıllık %33 civarında büyümektedir ve en iyi senaryolara göre 2100 yılında enerji üretiminin yarısının güneş enerjisi teknolojilerinden karşılanacağı öngörülmektedir. Güneş enerjisi fosil yakıt darboğazındaki ülkemiz açısından ciddi bir alternatiftir. Çünkü Akdeniz havzasında bulunan ülkemizin özellikle güney bölgelerinde havanın yılın 300 günü güneşli, ortalama sıcaklığın 19°C civarında olması sebebiyle fotovoltaik enerji üretimi için büyük avantaja sahiptir. Güneş pilleri genellikle 3 kategoride (3 nesil) incelenmektedir. Birinci nesil güneş pilleri fosfor ve bor katkılı kristalin silisyum veya germanyum içeren bir p-n eklemi yapısındadır. Pazar payı daralsa da bu piller halen en yaygın olan pillerdir. Elektronik endüstrisinin yan ürünleri güneş pili olarak kullanılmaktadır. Kurulum ve üretim maliyeti yüksek saflıkta silisyum gerektirmesinden yüksektir. Ülkemiz her ne kadar birinci nesil silisyum teknolojilerinde geri kalsa da 2020 yılına kadar Si içeren ve Si içermeyen güneş pili teknolojilerinin aynı pazar yüzdesine sahip olacağı; 2030 yılında Si bazlı güneş pillerinin pazarın %20’nin altına ineceği öngörülmektedir. Bu sebepten Si içermeyen yüksek performans ve yüksek performans/maliyet oranlı ürünler üzerine çalışmalar yoğunlaşmalıdır. Bu beklentiler ışığında yerkürede toplam kaynağı çok az olan indiyum, galyum, telurid gibi bileşenleri olan güneş pillerinin yerine; daha kolay ve ekonomik yollarla ulaşılabilen ürünlere yoğunlaşılması önem arz etmektedir. İkinci nesil güneş pilleri denilen bu tip piller sandviç yapılı ince film morfolojisinde olup birinci nesle nispeten daha az aktif malzeme gerektirmektedir. Kadmiyum tellurid (CdTe), bakır indiyum galyum diselenid (CIGS) ve amorf silisyum (a-Si) tabanlı güneş pilleri yaygın olarak kullanılan ikinci nesil güneş pillerinden birkaçıdır. Kadmiyum tellürid esaslı ince film güneş pilleri watt başına maliyet açısından kristalin silisyum en yakın ikinci nesil güneş pilleridir. Ancak kadmiyumun çok zehirli olması ve tellür kaynaklarının azlığı bu pillerin üretiminde en büyük sorundur. Yine de 2013 verilerine göre ince film güneş pillerinin yarısından fazlasını oluşturmaktadır. Bakır indiyum galyum diselenid (CIGS) tabanlı güneş pilleri ikinci nesil ince film güneş pilleri arasında en yüksek verimliliğe sahip olanıdır [6], [7]. CIGS güneş pillerinin absorpsiyon katsayısı silisyum olanlara göre daha fazla olduğu için aynı kalınlıkta silisyuma güre daha fazla ışık emilimi yapar. Bu da daha ince ve daha hafif güneş pillerinin üretilmesine olanak sağlar. Yukarda bahsedilen birinci ve ikinci nesil güneş pillerinin dezavantajlarını göz önüne alarak üçüncü nesil eksitonik güneş pilleri geliştirilmiştir. Eksitonik güneş pilleri silisyum bazlı güneş pillerinin dezavantajlarının birçoğunu ortadan kaldırmıştır. Genel olarak üçüncü nesil güneş pilleri de kendi aralarında 3 farklı grupta değerlendirilmektedir: • Nanokristalin tabanlı güneş pilleri • Boya Uyarımlı Güneş Pilleri (BUGP) • Organik / Polimer tabanlı güneş pilleri Bahsedilen üçüncü nesil güneş pilleri içerisinde BUGP yeni ticarileşmeye başlamış, üretimi kolay ve hatırı sayılır enerji verimliliği sağlayan sınıfı temsil etmektedir. Bu anlamda BUGP’nin avantajları: • Açık laboratuvar koşullarında üretilebilmesi, temiz oda gerektirmeyişi • Bileşenlerinin birçoğunun ülkemiz kaynaklarından sağlanması • Bileşenlerinin işlenmesi üzerine laboratuvarlarımızın tecrübesi • Performans açısından mütevazi olsa da performans/maliyet oranında yüksek değerler göstermesi olarak özetlenebilir. Bu anlamda 5MW altı yatırımlara yönelik paneller, ev tipi, kapalı ortam pilleri, elektronik cihaz pilleri, cam üzerine işleme gibi alanlarda tercih edileceği öngörülmektedir. BUGP üzerine araştırmalar 1960 sonlarına gitse de önemli ilerleme Gratzel ve ekibinin geniş aralıkta emilim yapan boyarmaddelerin nanokristalin TiO2 kompleksinin senteziyle gerçekleştirilmiştir. Bu sayede ilk kez inorganik bazlı güneş pillerinin verimi basit bir mekanizma ve ucuz malzemeler kullanarak mümkün hale gelmiştir. Hava kütle katsayısı 1.5AM ışıması altında verimlilik %10 seviyeleri yakalanmıştır. Boya uyarılı güneş pillerinin (BUGP) çalışma mekanizması incelendiği takdirde üç temel fonksiyon icra edilmektedir. Bunlar boyar maddenin (BM’) fotouyarımı, metal oksite (MO) elektron transferi, redoks çiftinden aldığı elektronla BM’nin rejenerasyonu. Yarı iletken film tabakası elektrolit, boya ve çalışan elektrot ile temas halindedir. Güneşten gelen fotonların boya molekülüne çarpması neticesinde boya molekülünden bir elektron TiO2 ‘in iletkenlik bandına aktarılır. Elektron TiO2 üzerinden iletken elektrotlara sonrasında ise dış devreye taşınır. Karşı elektrotta elektrolitte meydana gelen indirgenme reaksiyonu ile elektron elektrolite taşınır. Son olarak yine uyarılan BM elektrolitten elektron transfer ederek sakin duruma geçer ve süreç tamamlanmış olur. Sistemde yer alan TiO2 elektron toplayıcı ve boyanın yüzey alanını artırıcı yönde görev yapar. TiO2 çalışan elektrot üzerine kaplanmakta ve TiO2 üzerine ise BM molekülü tutunmaktadır. BUGP’nin verimliliğini artırmak amacı ile TiO2‘nin spesifik yüzey alanı artırılması önemlidir. Bu sayede BM’ye yüksek düzeyde yüzey alanı sağlamakla görevlidir. Bunun yanı sıra metal oksit tabaka elde edilen serbest elektronları çalışan elektroda iletim görevini de üstlenmiştir. Yukarıda da açıklandığı üzere güneşten gelen ışınların uyarıcıya çarpması neticesinde, boyarmadde uyarılarak son yörüngesindeki elektronlar uyarıcının iletkenlik bandına aktarılır. Daha sonra ise uyarılan elektron uyarıcının iletkenlik bandından, metal oksit tabakanın iletkenlik bandına doğru hareket eder. Metal oksit tabakanın iletkenlik bandına aktarılan elektronlar burada metal oksit tabakanın sahip olduğu 3 boyutlu yapısı ile iletken elektrotlara aktarılarak bir dış devreye geçirilir. Elektronun tüm bu hareketi sırasında bir potansiyel enerjisi vardır ki bu enerji miktarı MO’nun Fermi enerji seviyesine eşittir. BUGP’nin yapısın incelendiği zaman yapı da yer alan sıvı elektrolitin sızma ya da buharlaşma gibi çeşitli nedenlerle BUGP yapısın terk etmesi BUGP için bir dezavantaj olarak değerlendirilmiştir. Bu durum aynı zamanda BUGP’nin ticarileşmesi yolunda en büyük problemlerden görülmüştür. Bu doğrultuda sıvı elektrolit yerine katı yük taşıyıcı bileşenlerin kullanımı ile katı hal boya uyarımlı güneş pilleri (khBUGP) geliştirilmiştir. Bu tez çalışması kapsamında her bir bileşeninin baskı tekniği kullanılarak üretildiği khBUGP üretimi amaçlanmıştır. Bu doğrultuda üretilen laboratuvar ölçekli khBUGP’nin endüstriyel boyutta da üretimi için yöntemler araştırılmıştır. Bu doğrultuda yapılan çalışmalar neticesinde khBUGP başarılı bir şekilde üretilmiştir. Üretilen khBUGP’ler hava kütle katsayısı 1.5AM ışıması altında karakterize edilmiştir. Gerçekleştirilen karakterizasyonlar ve neticesinde yapılan analizler gösterdi ki, serigraf baskı tekniği kullanılarak elde edilen khBUGP, bıçak sıyırma yöntemine kıyasla daha yüksek verimlilik değeri göstermiştir. khBUGP üretiminde kullanılan her iki biriktirme tekniğinin geniş alanda kaplamaya imkan sağlaması, khBUGP’nin endüstriyel boyutta üretimi için önemli bir parametredir. Netice olarak bu tez çalışması kapsamında khBUGP’nin endüstriyel boyutta üretimi için üretim parametrelerinin de optimize edildiği bir yöntem geliştirilmiştir.
C/li2mnsio4 Katot Malzemesinin Kimyasal Deinterkalasyonu Ve Farklı Elektrolitler İle Kararlılığının İncelenmesi

(Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015-10-23) Eşen, Ekin ; Kadırgan, Figen ; 10081241 ; Nano Bilim ve Nano Mühendislik ; Nanoscience and Nanoengineering

Taşınabilir elektronik eşyalar ve hafif elektrikli cihazlarda kullanılan şarj edilebilir lityum iyon (Li-iyon) pilleri 1991 yılından beri ticari olarak üretilmekte ve yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Çok çeşitli uygulama alanlarına sahip olmalarına rağmen; lityum iyon pillerinin kullanımında güvenlik, çevreye olan etkileri ve kullanılan malzemelerin yüksek fiyatlı olması gibi önemli sorunlar söz konusudur. Bu sebeple alternatif elektrot malzemelerinin üretimi pek çok araştırmacının ilgisini çeken bir konu haline gelmiştir. Günümüzde yaygın olarak mono-lityum elektrot malzemeleri kullanılsa da, alternatif katot ve anot malzemelerinin üretiminde özellikle di-lityum ortosilikat (Li₂MSiO₄, M = Co, Ni, Mn, Fe) temelli malzemeler gelecek vadetmektedir. Di-lityum ortosilikatların tercih edilmelerinin başlıca nedenleri daha güvenli, çevre dostu, kullanılan diğer elektrot malzemelerinin çoğuna göre daha ucuz ve hem termal hem de kimyasal olarak daha kararlı olmalarıdır. Bu özelliklerinin yanı sıra di-lityum ortosilikatların çok önemli bir avantajı da, teorik olarak, di-lityum ortosilikatlarların birim yapılarındaki her iki lityum atomunun da geri dönüşebilir bir şekilde reaksiyona katılabilme olasılığıdır. Di-lityum ortosilikatlarların birim yapılarındaki iki lityum atomunun da geri dönüşebilir bir şekilde reaksiyona katılabilme olasılığının getirdiği avantaj ise, teoride, bu malzemelerin kullanıldığı pillerin kapasitelerinin 333 mAh/g’a kadar çıkabilme potansiyeli olduğunu göstermesidir. Sol-gel yöntemi; ‘jel’ (gel) adı verilen, ayrık parçacıkların veya ağlı polimerlerin (polymer networks) oluşturduğu, entegre ağın oluşumu için prekursör görevi görmek amacıyla monomerlerin ‘sol’ adı verilen kolloidal çözeltilere dönüşmesi sürecidir ve bu çalışmada, Li₂MnSiO₄ nanoparçacıkları Pechini tipi sol-gel yöntemiyle sentezlenmiştir. Prekursör sentezi için başlangıç bileşenleri olarak lityum asetat dehidrat, mangan asetat tetrahidrat, etilen glikol, sitrik asit, etanol ve tetraetoksisilan kullanılmıştır. Başlangıç bileşenlerinin molariteleri, uygun sitokiyometrik oranı sağlamak amacıyla, 1:1:18:6:4:16 - Mn:Si:C₂H₆O₂:C6H8O7:C2H5OH:H2O olarak belirlenmiştir. Tek fazlı bir ürün elde edilebilmesi için lityum asetatın, belirlenen sitokiyometrik orana göre, kütlece (wt.%) 20% fazlası reaksiyona sokulmuştur. Başlangıç bileşenlerinin bir gaz reaktörü içinde çözünme süreci boyunca ortamda sabit bir argon akışı (akış hızı: 5,7 l/saat) sağlanmıştır. Öncelikle metal asetatların tamamen çözünebilmesi için çözücü (su) 35˚C’ye ısıtılmış daha sonra da elde edilen karışım 60˚C’ye ısıtılıp etilen glikol, tetraetil ortosilikat (TEOS) ve birkaç damla konsantre hidroklorik asit eklenerek metal sitratların polimerizasyonu başlatılmıştır. Reaksiyon 24 saat boyunca kapalı bir reaktörde sürdürüldükten sonra elde edilen jel, öncelikle 60˚C sıcaklıkta kapalı bir reaktörde argon atmosferi altında 3 gün boyunca bekletilmiş daha sonra da yine 60˚C sıcaklıkta bir etüvde 3 gün boyunca xxii dinlendirilmiştir. Elde edilen prekursör jel, argon atmosferinde, altın bir kroze içinde 12 saat boyunca kalsine edilerek prekursörün organik matrisi termal olarak ayrıştırılmıştır (decomposition). Kalsinasyon işlemi boyunca argon akışı sabit (akış hızı: 30 ml/dakika) tutulmuş ve fırın içi sıcaklığı 800˚C’ye ulaştıktan sonra (ısınma hızı: 5˚C/dakika) on iki saatlik süre başlatılmıştır. Kalsinasyon işleminden sonra, ortamdaki dekompoze olmuş organik matrisin giderilmesi için, elde edilen malzeme ball milling işlemi ile öğütülüp toz haline getirildikten sonra yine altın bir kroze içinde ve sabit hava akışı (akış hızı: 150 ml/dakika) altında 800˚C’de 6 saat boyunca bekletilmiştir. İkinci aşamaya benzer olarak ısınma hızı 5˚C/dakika olarak ayarlanmış ve altı saatlik reaksiyon süresi fırın 600˚C’ye ulaştıktan sonra başlatılmıştır. Fırındaki hava akışı sebebiyle üçüncü aşama sonrasında elde edilen Li₂MnSiO₄ nanoparçacıkları kısmi olarak okside olduğundan, saf Li₂MnSiO₄ nanoparçacıklarının elde edilebilmesi için, okside olmuş dış kabuk bir indirgeme reaksiyonu ile giderilmiştir. Saf Li₂MnSiO₄ nanoparçacıklarının elde edilebilmesi için uygulanan son aşama olan bu dördüncü aşamada, kısmen okside olmuş Li₂MnSiO₄ nanoparçacıkları öğütülüp toz haline getirildikten sonra ince kuvars bir borunun ortasına kuvars fiberler kullanılarak sabitlenmiş ve argon atmosferi altında 600˚C’ye ısıtılmıştır (ısınma hızı: 10˚C/dakika). Bu süreçte ve fırın 600˚C’ye ulaştıktan sonraki 1 saatlik reaksiyon süresi boyunca fırın içinde sabit bir hızda hidrojen ve argon akışı (H₂:Ar = 1:9, akış hızı: 50ml/dakika.) sağlanmıştır. Çalışmada, saf Li₂MnSiO₄ nanoparçacıklarının yanı sıra, farklı oranlarda iletken karbon tabakası ile kaplı C/Li₂MnSiO₄ nanokompozitler de sentezlenmiştir. C/Li₂MnSiO₄ nanokompozitlerinin sentezlenmesinde, pilin şarj ve deşarj aşamalarında pil kapasitesinin azalmasına sebep olan hacim bozunumu (volume distortion) gibi etkenlerin eliminasyonu ve katot malzemesinin elektriksel iletkenliğinin artırılması hedeflenmiştir. Bu işlem için, saf Li₂MnSiO₄ nanoparçacıklarının sentezinde izlenen yol üçüncü aşamanın sonuna kadar aynen tekrarlanmıştır. Saf Li₂MnSiO₄ nanoparçacık sentezinden farklı olarak, üçüncü aşamadan sonra elde edilen kısmen oksitlenmiş Li₂MnSiO₄ nanoparçacıkları indirgeme reaksiyonuna sokulmayıp bunun yerine farklı miktarlarda iletken karbon tabakaları ile kaplanmıştır. C/Li₂MnSiO₄ nanokompozitlerinin sentezinde su aracılıklı doyurma (water mediated impregnation) yöntemi kullanılmıştır ve C/Li₂MnSiO₄ nanokompozitlerinin içerdiği karbon miktarının etkilerinin gözlenmesi amacıyla kaplanan karbon miktarı kütlece (wt.%) 10%, 15%, 20%, 25% ve 30% olarak belirlenmiştir. Su aracılıklı doyurma işleminde, öğütülüp toz haline getirilmiş kısmen oksitlenmiş Li₂MnSiO₄ nanoparçacıklar yarımküre şeklindeki elastik kaplarda piromellitik asitin (PMA) sulu çözeltileri ve Poli-N-vinilformamid (PNVF) ile karıştırılıp ısıtılmıştır. Isıtma işlemi çözeltideki tüm su buharlaşıp çözelti kahverengi çamurumsu bir hal alana kadar devam etmiştir. Sıcaklık 50˚C’den sonra kademeli olarak artırılıp, kaynamayı önlemek amacıyla, işlem süresince 100˚C’nin altında tutulmuş ve karışım bir manyetik karıştırıcı yardımıyla işlem süresince orta hızda karıştırılmıştır. Poli-N-vinilformamid’in (PNVF) yalnızca kütlece beşte biri (20 wt.%) karbon kaynağı olarak kullanılabildiğinden, Poli-N-vinilformamid (PNVF) miktarı kaplanmak istenen Li₂MnSiO₄ nanoparçacıklarının miktarının beş katı olarak alınmıştır. Piromellitik asit (PMA) miktarı ise, kullanılan Poli-N-vinilformamid (PNVF) miktarının kütlece yüzde beşi (5 wt.%) olarak belirlenmiştir. Su aracılıklı doyurma işlemi, karışımın içerdiği su miktarıyla orantılı olarak, 4-6 saat arası sürmüştür. Su miktarı, çökelme (sedimentation) ve tanecik kümelenmesine (grain agglomeration) müsaade etmeyecek kadar azalıp çamurumsu bir karışım elde xxiii edildikten sonra elde edilen karışımlar 90˚C’lik bir etüvde 24 saat boyunca dinlendirilmiştir. Etüvdeki 24 saatlik dinlenme aşamasından sonra elde edilen malzeme öğütülüp toz haline getirilerek, farklı miktarlarda karbon içeren, C/Li₂MnSiO₄ nanokompozitleri elde edilmiştir. Sentezlenen tüm malzemeler için X-ışını kırınımı (X-ray Diffraction, XRD) analizleri kullanılarak saf (pristine) Li₂MnSiO₄ nanoparçacıklarının ve C/Li₂MnSiO₄ nanokompozitlerinin başarılı bir şekilde sentezlenip sentezlenmediği incelenmiş ve ortalama tanecik boyutu hesaplanmıştır. XRD analizlerine ek olarak, C/Li₂MnSiO₄ nanokompozitlerindeki karbon miktarının belirlenmesi için termo-gravimetrik analizler (TGA) yapılmıştır. Bu analizlerin ışığında, su aracılıklı doyurma işleminin, Li₂MnSiO₄ nanoparçacıklarını istenilen miktarda karbon ile kaplamakta başarılı olup olmadığı ve işlemin Li₂MnSiO₄ yapısı üzerindeki etkileri incelenmiştir. Çalışmada, Lityum hekzaflorofosfat (LiPF₆), lityum perklorat (LiClO₄), lityum bis(okzalato)borat (LiBOB) ve lityum bis(triflorometanosülfonil)imid (LiTFSI) tuzları ile etilen karbonat (EC) etil metil karbonat (EMC), dimetil karbonat (DMC), dietil karbonat (DEC) ve 1,1-dioksit tetrametilen sülfon (TMS) çözücüleri kullanılarak 12 farklı elektrolit çözeltisi hazırlanmıştır. Deneylerde, LiTFSI tuzu içeren çözeltilerdeki çözünme problemi sebebiyle, yalnızca LiPF6(EC:DEC), LiPF6(EC:DMC), LiPF6(TMS:EMC), LiClO4(EC:DEC), LiClO4(EC:DMC), LiClO4(TMS:EMC), LiTFSI(EC:DEC), LiTFSI(EC:DMC) ve LiTFSI(TMS:EMC) organik elektrolitleri kullanılmıştır. Çalışmada kullanılacak elektrolit çözeltilerinin argon ve hava atmosferi altındaki bozunumunun incelenmesi amacıyla tüm çözeltiler diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) testleri ile analiz edilmiştir. Buna ek olarak, elektrolit çözeltilerinin sentezlenen saf Li₂MnSiO₄ nanoparçacıklarına karşı kararlılıkları da diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) analizleri ile incelenerek en az reaktif elektrolit çözeltileri tespit edilmiştir. Diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) analizlerinde argon (akış hızı: 80 ml/min.) ve hava akışı sabit tutulup; sıcaklık, dakikada 10˚C artırılmak suretiyle, 25˚C’den 400˚C’ye çıkartılmıştır. X-ışını kırınımı (XRD) ve termogravimetrik analizlerden (TGA) sonra AC (33 Hz) 4-probe tekniği kullanılarak sentezlenmiş olan; kütlece 10%, 15%, 20%, 25% ve 30% karbon içeren, toz halindeki C/Li₂MnSiO₄ nanokompozit katot malzemelerinin elektriksel iletkenlikleri hesaplanmış ve karşılaştırılmıştır. Karşılaştırmalar sonucunda nanokompozitlerdeki karbon miktarının elektriksel iletkenlik üzerindeki etkileri incelenmiştir. X-ışını kırınımı analizleri, termogravimetrik analizler ve iletkenlik ölçümlerinden sonra farklı miktarlarda karbon içeren nanokompozit katot malzemeleri ile farklı elektrolit çözeltileri kullanılarak R2032 coin tipi piller hazırlanmış ve galvanostatik şarj-deşarj testleri ile pil performansları incelenmiştir. Galvanostatik şarj-deşarj testlerinin birinci setinde, kütlece 15% karbon içeren ve alüminyum film üzerine kaplanmış, C/Li₂MnSiO₄ nanokompozit katot malzemesi (15C/Li₂MnSiO₄) ve 9 farklı elektrolit çözeltisi kullanılarak 9 çeşit R2032 coin tipi pil yarı hücresi hazırlanmıştır. Yapılan şarj deşarj testleri sonucunda en yüksek kapasitenin ölçüldüğü pillerde kullanılmış olan 2 adet elektrolit çözeltisi 2. aşama şarj-deşarj testlerinde kullanılmak üzere belirlenmiştir. Galvanostatik şarj-deşarj testlerinin ikinci setinde, kütlece 10%, 15%, 20%, 25% ve 30% karbon içeren toz halindeki C/Li₂MnSiO₄ nanokompozit katot malzemeleri ile xxiv LiPF6(EC:DEC) ve LiPF6(EC:DMC) elektrolit çözeltileri kullanılarak 10 çeşit R2032 coin tipi pil yarı hücresi hazırlanmıştır. Testler sonucunda elde edilen pil kapasitesi değerleri kullanılarak, hazırlanan piller arasında en yüksek performansı gösteren pildeki nanokompozit katot malzemesinin içerdiği karbon miktarı tespit edilmiş ve bu malzeme 3. aşama şarj-deşarj testlerinde kullanılmıştır. Galvanostatik şarj-deşarj testlerinin üçüncü setinde, kütlece 30% karbon içeren (30C/Li₂MnSiO₄) toz halindeki C/Li₂MnSiO₄ nanokompozit katot malzemeleri ile 9 farklı elektrolit çözeltisi kullanılarak 9 çeşit R2032 coin tipi pil yarı hücresi hazırlanmıştır. Şarj deşarj testleri hazırlanan 9 çeşit pil yarı hücresi için uygulanmış ve pillerin kapasitesi karşılaştırılmıştır. En yüksek performansı gösteren pil yarı hücresi çeşidi tekrar hazırlanıp tamamen şarj edildikten sonra, 30C/Li₂MnSiO₄ nanokompozit katot malzemesi pilden çıkartılmış ve manganın yükseltgenme basamağı X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) ile ölçülmüştür. Yapılan ölçümde, pildeki katot malzemesinin yapısında bulunan lityum iyonlarının elektrokimyasal olarak birim hücreden ayrılıp ayrılmadığı (delithiation) ve lityum iyonlarının pil reaksiyonlarına katılma oranı gözlemlenmiştir. Elektrokimyasal delitiasyon (delithiation) testlerinin sonuçlarını desteklemek amacıyla, kimyasal delitiasyon testleri yapılmıştır. Saf katot malzemesi, lityum iyonlarını kimyasal yöntemlerle birim hücreden ayırmanın (delithiation) mümkün olup olmadığını görmek amacıyla hidrojen peroksit (H₂O₂), potasyum persülfat (K₂S₂O₈,), sülfürik asit (H₂SO₄) ve amonyak (NH₃) ile yedi farklı deney düzeneğinde reaksiyona sokulmuştur. İlk deney setinde saf Li₂MnSiO₄ nanoparçacıkları, asetik asit (CH₃COOH) kullanılarak oluşturulmuş sulu asidik ortamda hidrojen peroksit (H₂O₂) ile 24 saat boyunca reaksiyona sokulmuştur. İkinci ve üçüncü deney setlerinde saf Li₂MnSiO₄ nanoparçacıkları, asetik asit (CH₃COOH) kullanılarak oluşturulmuş sulu asidik ortamda, sırasıyla 1M ve 2M potasyum persülfat (K₂S₂O₈) ile 24 saat boyunca reaksiyona sokulmuştur. Dördüncü deney setinde kısmi oksidasyon hedeflendiği için saf Li₂MnSiO₄ nanoparçacıkları 1M sülfürik asit ile (H₂SO₄) sulu asidik ortamda 24 saat boyunca reaksiyona sokulmuş ve beşinci sette aynı işlem 2M sülfürik asit ile tekrarlanmıştır. Altıncı ve yedinci deney setlerinde amonyak kullanılarak pH 12 olacak şekilde ayarlanmış ve saf Li₂MnSiO₄ nanoparçacıkları bazik ortamda sırasıyla 24 ve 72 saat boyunca bekletilmiştir. Son olarak da saf Li₂MnSiO₄ nanoparçacıkları kademeli olarak ısıtılıp 110 ˚C’lik yağ banyosunda 24 saat boyunca bekletilerek termal oksidasyon denenmiştir. Tüm bu reaksiyonların sonunda elde edilen materyaller santrifüjlenmiş ve 24 saat boyunca 90˚C’lik etüvde kurutulduktan sonra X-ışını kırınımı analizleri yapılmıştır. XRD analizleri sonucunda LiMnSiO₄ ve MnSiO₄’e benzeyen malzemeler için XPS analizleri yapılarak Li₂MnSiO₄ nanoparçacıklarındaki manganın yükseltgenme seviyesi tespit edilmiştir. Çalışmalar sonucunda, Pechini tipi sol-gel yöntemi kullanılarak Pmn21 konfigürasyonuna sahip, 35-50 nm boyutlarında, saf Li₂MnSiO₄ nanoparçacıklarının başarılı bir şekilde sentezlendiği XRD analizleri ile kanıtlanmıştır. Yine XRD analizlerinden yararlanılarak, su aracılıklı doyurma işlemi ile saf Li₂MnSiO₄ nanoparçacıklarının yapılarını bozmadan, parçacıkların istenilen oranda karbon ile kaplanabildiği ve C/Li₂MnSiO₄ nanokompozit katot malzemelerinin başarılı bir şekilde sentezlendiği gözlemlenmiştir. Farklı miktarlarda karbon içeren C/Li₂MnSiO₄ nanokompozitlerinin iletkenlik ölçümleri ve galvanostatik şarj deşarj testleri sonucunda, elektriksel iletkenliğin kompozitlerdeki karbon miktarının xxv artmasıyla arttığı ve pil kapasitelerinin katot malzemesinin karbon miktarıyla orantılı olarak arttığı kanıtlanmıştır. Diferansiyel taramalı kalorimetri testlerinde en yüksek kararlılık ve en düşük reaktivite LiClO4 içeren elektrolit çözeltileri için gözlenmiş olmakla birlikte, hazırlanan pillerin galvanostatik şarj deşarj analizleri sonucunda en yüksek kapasite LiPF6 tuzu içeren elektrolit çözeltileri ile hazırlanmış piller için gözlemlenmiştir. İlk şarj-deşarj döngüsünde pil kapasitesinin, pasivasyon tabakasını oluşturan reaksiyonlardan etkilendiği gözlendiği için hazırlanan pillerin kapasiteleri ikinci şarj-deşarj döngüleri baz alınarak karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırmaya göre, 2. şarj-deşarj döngüsünde, en yüksek kapasite 177.0 mAh/g olarak kütlece 30% karbon içeren C/Li₂MnSiO₄ nanokompozit katot malzemesi ve 1M LiPF6(EC:DMC) elektrolit çözeltisi içeren pil için ölçülmüştür. Aynı pil kombinasyonu tamamen şarj edildikten sonra, kullanılan nanokompozit katot malzemesindeki manganın yükseltgenme basamağı XPS analizleri ile 3.8 olarak ölçülmüştür. Bu sonuca dayanılarak, C/Li₂MnSiO₄ nanokompozit katot malzemesinin elektrokimyasal delitiasyonunun yapılabildiği gözlemlenmiştir. Kimyasal delitiasyon ise, saf Li₂MnSiO₄ nanoparçacıkları için, uygulanan yöntemlerin yalnızca üçünde kısmi olarak sağlanabilmiştir.
Cdse/zns Kuantum Noktalarının Sentezi Ve Karakterizasyonu

(Fen Bilimleri Enstitüsü, 2014-06-30) Aydın, Hakan ; Ünlü, Hilmi ; 10041561 ; Nano Bilim ve Nano Mühendislik ; Nanoscience and Nanoengineering

Kimyasal yöntemler ile üretilen nanokristaller, bize parçacıkların boyut dağılımlarını kontrol edebilme ve ayarlayabilme ihtimâlini sunmaktadır. Üst düzey niteliklere sahip nanoparçacıklara duyulan ihtiyaç ve ilgi, gün geçtikçe artmaktadır. Bu bağlamda düşük maliyetli, çevreci ve büyük miktarda nanokristal üretimi büyük bir önem arz etmektedir. Kimyasal üretim sürecinde sıcaklık, öncü malzemelerin molar oranları ve zaman gibi niceliklerin belirli ölçülerde değiştirilmesi, üretilen nanokristallerin farklı elektronik ve optik özelliklere sahip olmasını sağlamaktadır. Böylece, ihtiyaç duyulan özelliklere sahip nanokristalleri elde etmek adına üretim sürecinde öngörülen değişikliklere gidilebilmektedir. Kuantum noktaları olarak da adlandırılan kolloidal yarı iletken nanokristaller, 2-10 nm arasında değişen parçacık çaplarına sahiptir ve floresans görüntüleme, ışık yayan diyotlar, düz panel görüntüleme sistemleri, güneş pilleri, lazerler ve biyolojik tedaviler gibi birçok farklı alanda uygulamalara konu olmaktadır. Yüksek yüzey-hacim oranı sayesinde nanokristaller, boyutlarına bağlı olarak değişebilen optik, elektriksel ve kimyasal özelliklerini beraberinde getirmektedir. Genellikle II-VI ve III-V periyodik grup elementlerinin birleşimi ile ortaya çıkan kuantum noktaları, moleküler ve yığınsal malzeme arasında kendilerine has bir sınıf oluşturmuştur ve çekirdek ya da çekirdek-kabuk yapılar şeklinde üretilebilmektedir. Gelişen teknoloji ile birlikte yük taşıyıcılarının serbestlik dereceleri, elektron sınırlama özelliği oluşturabilmek adında kullanılmaktadır. Kuantum noktaları, elektronları uzaysal üç boyutta sınırlama özelliğine sahip olduklarından dolayı “boyutsuz” yapılar olarak adlandırılabilmektedir. Bu sınırlama şartlarından dolayı kuantum noktaları, atomlara benzer davranışlar sergilemektedir. Bohr-exciton yarıçapına yakın boyutlarından dolayı kuantum noktalarında “boyutu niceleme etkisi” gözlenmektedir. Böylece iletim ve değerlik bantları, alt bantlara (kesikli değerlere) bölünür. Bütün bu özellikler doğrultusunda nanokristal boyutu (çapı) küçüldükçe etkin bant aralığı artar ve gözlemlenen renkte maviye doğru kayma gözlemlenir. Kuantum noktalarında parçacık hareketini tanımlamak için tek bant etkin kütle yaklaşımı kullanılır ve hareket denklemi zamandan bağımsız Schrödünger denkleminin silindirik apsis düzeninin birinci ya da ikinci mertebeden çözümü ile elde edilir. Nanokristal çekirdek yapının geniş bir bant aralığına sahip yarı iletken malzeme ile ince bir tabaka şeklinde kaplanıp kimyasal olarak etkisizleştirilmesi, çekirdeğin kimyasal tepkimelerden uzak tutulmasına ve optik özelliklerinin iyileşmesine yol açar. Kullanılan malzemelerin bir araya getirilme şekline göre iki farklı çekirdek-kabuk yapısı mevcuttur. Elektron ve boşlukların uzaysal olarak çekirdek ve kabuk bölgelerinde ayrı şekilde hapsedilmesi durumunda “ikinci tip sınırlama”, geri kalan diğer olasılıklar için de “birinci tip sınırlama” söz konusu olur. Nanokristaller, etkin bant aralığı enerjisine yakın bir düzeydeki enerji ile uyarıldıklarında elektron-boşluk çifti (eksiton) oluşur. Eksitonun toplam enerjisi, kuantum düzenekleri tarafından yayımlanan dalga boyunu, başka bir deyişle rengi belirler. CdSe nanokristaller, II-VI periyodik ailesinin bir üyesi olup doğrudan bant geçişine sahip yarı iletken bir malzemedir. Parçacık boyutuna bağlı olarak değişen optik tayfın görünür bölgesindeki parlak ışıma yeteneği, CdSe nanokristalleri üzerinde en çok araştırma yapılan malzemelerden biri hâline getirmiştir. Kullanılan yöntem çerçevesinde CdSe nanokristalleri 20-300°C arasında değişen sıcaklıklarda üretmek mümkündür. 100°C ve altındaki sıcaklıklarda üretilen CdSe nanokristaller genellikle suda çözünebilir ve üretim işlemi uzun süreler alır. Üretim sıcakığı yükseldikçe ulaşılmak istenen parçacık boyutu dağılımını yakalama süresi, daha hızlı büyüme olacağından kısalır. Buna rağmen, dar bir boyut dağılımı elde etmek için nispeten düşük başlangıç sıcaklıkları kullanmakta fayda vardır. Bu tezin kapsamında CdSe çekirdek ve CdSe/ZnS çekirdek-kabuk nanoyapıların göreceli olarak düşük sıcaklıklarda üretilmesi ve üretim sırasında çeşitli niceliklerin değiştirilmesi sonucu elde edilen kuantum noktalarının öz niteliklerinde ortaya çıkan farklılıkları gözlemlemek ve karakterize etmek amaçlanmıştır. Literatürden uygun olduğu kanısına varılarak seçilmiş inorganik tabanlı bir yöntem, laboratuar imkânları doğrultusunda ufak değişikliklere tabii tutularak uygun duruma getirilmiştir. CdSe çekirdek nanokristalleri üretimi için öncelikle kadmiyum stearat (C36H70CdO4), kadmiyum oksit (CdO) (0.01 mol, 1.284 g) ve stearik asitin (C18H36O2) (0.02 mol, 5,68 g) 170°C’de 15 dakika sure ile karıştırılması ile hazırlanır. Elde edilen ürün daha sonra çoklu üretimler için öncü malzeme olarak kullanılabilir. Kadmiyum stearat (0.1358 g, 0.2 mmol) ve 16 mL likit paraffin üç boyunlu cam balon içerisine konur ve manyetik karıştırıcı vasıtasıyla 15 dakika sure boyunca vakuma alınarak oksit içerikli malzemenin içindeki havanın uzaklaştırılması sağlanır. Toz hâlindeki selenyum, nispeten düşün sıcaklıklarda kendi başına çözünemediğinden ilâve olarak trioktilfosfin (TOP) kullanılır. Selenyumun tamamen çözülmesi için bir cam balon içine 2 mL TOP ve selenyum (0.0078 g, 0.1 mmol) ilâve edildikten sonar oda sıcaklığında ultrasonic temizleyici içerisinde yaklaşık 12-13 saniyede çözülmesi sağlanır. Kadmiyum stearat ve paraffin karışımından oksijenin uzaklaştırılmasının ardından deney balonunun içine azot gazı akışı başlatılır ve arzu edilen sıcaklığa ulaşması için ısıtılır (160-180°C). Hedeflenen sıcaklığa ulaşıldığında TOP-Se çözeltisi karışıma hızlıca eklenir ve nanokristallerin çekirdeklenme evresi başlatılmış olur. TOP-Se çözeltisinin eklenmesinin hemen ardından birkaç saniye içinde gözle görülür bir renk değişimi fark edilebilir. Farklı boyutlarda CdSe nanokristallerin büyümesini gözlemlemek için deney süresince belirli aralıklarda şırınga yardımıyla 1 mL’lik örnekler toplanır. Son örnek de alındıktan sonra geri kalan malzeme, üzerine ZnS kaplanmak üzere kenara ayrılır. Alınan örnekler, oda sıcaklığına soğuduktan sonra aseton ile santrifüj işlemi en az 3-4 kez tekrarlanarak gerçekleştirilir. Santrifüj işlemi tamamlandıktan sonra geri kalan çözücüleri uzaklaştırmak için CdSe nanokristaller vakumlu fırın içine konularak 60°C sıcaklıkta yaklaşık 10-15 dakika boyunca tutulur. Fırından alınan örneklere hekzan eklenerek optik karakterizasyona hazır duruma getirilir. CdSe/ZnS çekirdek-kabuk yapısındaki nanokristallerin üretimi için CdSe çekirdek çözeltisinden geriye kalan yaklaşık 8 mL’lik malzeme üzerine çinko asetat dehidrat (Zn(OAc)2.2H2O) (0.085 mmol, 0.01866 g) ve toz hâlinde kükürt (S) (0.085 mmol, 0.00272 g) eklenir ve karıştırılır. Çözeltinin toplam hacmini 15 mL yapacak miktarda likit paraffin eklenir ve 80°C sıcaklıkta 20 dakika boyunca vakuma alınıp karıştırılarak içindeki havanın tahliyesi sağlanır. Daha sonra sıcaklık 145°C olarak ayarlanır ve üretimin yapıldığı cam balon içerisine azot gazı akışı başlatılır. Farklı boyutlarda kabukların kaplanması için besleyerek büyütme yöntemi kullanılır ve CdSe çekirdek nanokristallerin üretiminde olduğu gibi belirli aralıklar ile örnekler alınır. Belirlenen sürenin sonuna gelindiğinde üretimin başında kullanılan ile aynı miktarda öncü malzemeler eklenerek istenilen kabuk kalınlığına ulaşılana kadar süreç tekrarlanır. CdSe çekirdek nanokristallerin üretiminden sonra olduğu gibi, yine aseton aracılığı ile santrifüj işlemi en az 3-4 defa olmak üzere gerçekleştirilir ve kalan çözücüleri uzaklaştırmak için örnekler 60°C sıcaklıkta vakumlu fırında 10-15 dakika süre ile bekletilir; en son hekzan ilâvesi ile optik karakterizasyona hazır duruma getirilir. Üretilen CdSe çekirdek ve CdSe/ZnS çekirdek-kabuk nanokristallerin sahip olduğu optik ve elektronik özelliklerin literatürdeki verilerle uyumlu olduğu görülmüştür. Parçacık boyutlarına bağlı olarak üretilen CdSe çekirdek nanokristallerin soğurma tayfında artan parçacık çapı ile beraber kırmızıya kayma gözlemlenmiştir. Bu durumla bağdaşır şekilde, üretilen yarı iletken nanokristallerin optik soğurma bant aralıklarında artan parçacık boyutu ile beraber daralma kaydedilmiş ve boyutu niceleme etkisi kanıtlanmıştır. CdSe ve CdSe/ZnS nanokristallerin optik ışıldama tayflarındaki yarı yükseklikteki tam genişlik değerleri yaklaşık 25-31 nm arasında belirlenmiş ve ışıldama yeteneklerinin niteliklerinin üst düzeyde olduğu görülmüştür. Ayrıca hazırlanan örneklerin çoğunda Ostwald olgunlaşma davranışına ait belirgin izler saptanmamıştır. Sabit sıcaklıkta Cd:Se öncü malzeme oranı değiştirilerek yapılan üretimlerde Cd:Se oranının yüksek olduğu örneklerin daha hızlı büyüdüğü görülmüştür. Bununla beraber, Cd:Se oranı düştükçe sıcaklığın parçacıkların büyümesi üzerindeki etksinin arttığı görülmüştür. Bu durumun sebebi, üretim sürecinde kullanılan sıcaklıkların (160-170°C) kadmiyum açısından zengin örneklerin büyümesi için düşük kalması olarak açıklanmıştır. Sabit sıcaklıkta Cd:Se oranı değiştirilerek üretilen örneklerden gözlemlenen diğer bir özellik de selenyum miktarının artmasıyla beraber ışıldama tayfından ölçülen yarı yükseklikteki tam genişlik değerlerinin artmasıdır. Aynı durum, CdSe çekirdek nanokristaller üzerine kaplanan ZnS kabuk kalınlığının artmasıyla da gözlemlenmiştir. ZnS kabukların kaplandığına dair kanıt, soğurma tayfında gözlemlenen kırmızıya kayma eğilimi olarak gösterilmiş ve literatür ile tutarlı olduğu görülmüştür. Üretilen nanokristallerin kuantum verimi hesaplanmış ve ZnS kabuk kaplamanın CdSe çekirdek nanokristallerin kuantum verimini arttırabildiği kanıtlanmıştır. Yüksek çözünürlüklü TEM görüntülerinden elde edilen parçacık çapları ile etkin kütle yaklaşımı kullanarak teorik olarak hesaplanan boyutların birbiri ile tutarlı olduğu görülmüştür.
Çizilme Direnci Yüksek, Kolay Temizlenebilen Anti Bakteriyel Kaplamaların Sol Jel Yöntemiyle Hazırlanması Ve Karakterizasyonu

(Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016-07-15) Yedikardeş, Fatma Beyza ; Zayim, Esra Özkan ; 10117622 ; Nano Bilim ve Nano Mühendislik ; Nanoscience and Nanoengineering

Bilimin ve teknolojinin gelişmesi, mikro yapı ve malzemenin özelliği arasındaki ilişkinin daha iyi anlaşılabilmesine imkân sağlamıştır. Malzemenin mikro yapısını oluşturan tanecikler nano boyuta indikçe malzemeler yeni özellikler kazanır. Günümüzde, önemli bir yer tutan katı yüzey üzerine ince film kaplamalar, çeşitli fiziksel ve kimyasal metotlarla elde edilebilir. İnce filmlerin istenen özellikleri gösterebilmeleri için uygun kalınlık, kompozisyon ve karakteristik özelliklere sahip olmaları gerekir. Kaplama metodları arasında, sol-jel metodu çok fonksiyonel filmlerin eldesinde kullanılmasından dolayı öne çıkmaktadır. En genel haliyle, sıvı bir sol fazından, katı bir jel fazına geçiş olarak tanımlanır. Sol-jel metodu, yüksek proses sıcaklıkları gerektirmemesi, ön başlatıcıdan son ürüne kadar moleküler seviyede kontrolün sağlanması, diğer kaplama tekniklerine göre ekonomik olması ve düz yüzeylerin yanında şekilli yüzeylerin de kolay kaplanabilmesi sebebiyle hem organik ve inorganik, hem de organik-inorganik hibrit polimerlerin üretilmesine olanak sağlar. Hibrit yapılarda organik kısım yüzey yapışma ve esneklik özelliği kazandırırken, inorganik kısım ise çizilmeye ve aşınmaya karşı direnç sağlamaktadır. Sol-jel kaplamalar uygulandığı yüzeye kovalent bağlanma özelliği sayesinde, seramik ve cam gibi yüzeylere kuvvetli tutunurlar. Organik-inorganik sol-jel kaplamaların hazırlanmasında en uygun çıkış maddeleri organofonksiyonel silanlardır. En az bir karbon-silikon bağı içeren silan bileşikleri, organosilan olarak adlandırılır. Organofonksiyonel silanlarda, silisyum atomuna karbon bağıyla bağlı olan ve reaktif olmayan alkil grupları ile yüksek reaktifliğe sahip alkoksi grupları vardır. Karbon-silikon bağı düşük yüzey enerjisine sahip, apolar ve oldukça kararlıdır. Alkil grupları, içerdikleri epoksi, amino, vinil gibi gruplar sayesinde polimerizasyon reaksiyonlarında çapraz ağ oluşturucu olarak görev yaparlar. Alkoksi grupları ise birbirleri ve ortamdaki su ile hidroliz ve kondenzasyon reaksiyonlarına girerler. Başlangıç malzemelerinin kimyasal kompozisyonu, hidroliz süresi, malzemelerin çözeltiye eklenme sırası gibi birçok parametre değiştirilebildiği için birbirinden çok farklı karakteristiğe sahip son ürünler elde edilir. Bu da, sol-jel yönteminin her adımının iyi analiz edilmesini zorunlu kılar. Sol-jel kaplamalar, uygulandıkların yüzeylere mukavemet, hafiflik, yüksek sıcaklığa ve aleve karşı direnç, UV ışığını kesme, parmak izi bırakmama, yüzeyde su tutmama, kolay temizlenebilirlik, korozyon direnci, aşınma ve çizilme direnci, anti mikrobiyellik gibi çeşitli özellikler kazandırılır. Mikroorganizmalar cam ev eşyaları, endüstriyel sistemler, gıda paketleri, medikal malzemeler gibi çok çeşitli yüzeylere tutunabilirler. Mikrobiyel hücrelerin elektrostatik kuvvetler ve fiziksel etkileşimlerle geri dönüşümsüz olarak yüzey ile bağlantı kurması ve bu yüzeyde çoğalması sonucu oluşan yapıya biyofilm denir. Su ile temas eden hemen hemen tüm yüzeylerde biyofilm oluşumu gözlenir. Bu yüzden mikroorganizmaların yüzeye tutunmasını, tutunduğu yüzeyde çoğalmasını ve biofilm oluşturmasını önlemek amacıyla antibakteriyel kaplamalar geliştirilmiştir. Yüzeyin topografisi ya da yüzey kimyası değiştirilerek, polimerizasyon yöntemiyle antimikrobiyel ajanların polimer matrikse tutunması sağlanır. Antibakteriyel yüzeylerin etkinliğini artırmak için hidrofobik özellik gösterebilen, uzun zincire sahip, pozitif yüklü moleküller tercih edilir. Katı yüzeylerin ıslanabilirliği endüstride kullanılan önemli bir özelliktir. Malzemenin yüzey pürüzlülüğü değiştirilerek hirdofobik yüzeyler süper hidrofobik yüzeylere dönüştürülebilir. Doğadaki lotus çiçeğinden esinlenilerek oluşturulan bu yüzeyler, su damlasının kir partiküllerini toplayarak kendi kendine kaymasını sağlar, böylece kirlenen yüzeyin temizliğini kolaylaştırır. Ancak, hidrofobik sistemler çizildiklerinde v-eya aşındıklarında, doğal sistemler gibi kendilerini yenileyemezler. Bu yüzden yüzey koruyucu kaplamalara ihtiyaç duyulur. Aşınmaya ve çizilmeye karşı direnci yüksek olmayan malzemeler, sol-jel tekniğiyle kaplanarak dayanıklı hale getirilir. Hibrit organik-inorganik silika sistemlerde kullanılan organofonksiyonel silanlar, polimerizasyon reaksiyonları sırasında çapraz ağ oluşturucu ajan olarak görev yaparlar. Uygulandıkları yüzeylere kovalent bağlarla bağlanarak kaplamanın yüzeye güçlü bir şekilde tutunmasını sağlayarak, malzemenin mekanik özelliğini artırırlar. Tez çalışmasında, sol-jel prosesiyle çizilme direnci yüksek, kolay temizlenebilen antibakteriyel kaplamaların geliştirilmesi hedeflenmiştir. Kaplama çözeltisi (3-glisidoksipropil) trimetoksisilan (GLYMO), Titanyum (IV) isopropoksit ve Gümüş Nitrat ve etanol içermektedir. GLYMO, kaplamalara esneklik ve içerdiği epoksi grupları nedeniyle mukavemet/yüzey tutunma özellikleri vermesi, Titanyum (IV) isopropoksit ise sertlik ve ağyapıcı olması amacıyla kullanılmıştır. Gümüş Nitrat, su ve birçok çözücüde kolaylıkla çözünerek kaplama sistemine girmesi nedeniyle ilave edilmiştir. Çizilme direnci yüksek antibakteriyel kaplamaların elde edilmesi amacıyla bir deneysel tasarım planı oluşturulmıştır. Kaplama prosesinde üç etkin değişken (ön hidroliz süresi, Titanyum (IV) isopropoksit miktarı, son hidroliz için eklenen su miktarı) seçilmiş ve her bir değişken içerisinde 3 seviye (süre, gramaj) belirlenerek (n3) 27 farklı kaplama kompozisyonu içeren bir deney seti tasarlanmıştır. Cam altlıklar, daldırarak kaplama tekniğiyle 15 cm/dk çekiş hızında tek kat kaplanarak, 150°C‟de 30 dk sürede kürlenmiştir. Elde edilen kaplamaların öncelikle kalem sertlik testi, lineer aşınma, yapışma testi, geçirgenlik ve nano indentasyon testleri yapılmıştır. Deneysel tasarım planı çerçevesinde elde edilen kaplamalar incelendiğinde, ilave edilen Titanium(IV)isopropoksit miktarı azaldığı zaman kaplamaların geçirgenliği ciddi anlamda düştüğü ortaya çıkmıştır. Jelleştirilen kaplama çözeltilerinin % katı hesabı yapılmış ve tüm örnekler birarada değerlendirildiğinde, son hidroliz için ilave edilen su miktarı artırıldıkça % katı değerleri düştüğü ortaya çıkmıştır. Bu sonuç, hidroksil ve alkoksil yer değişiminden kaynaklanmaktadır. Saydamlığı ve çizilme direnci yüksek olduğu belirlenen kaplamaların çözelti hallerinde hem FTIR ile hidroliz ve polimerizasyon reaksiyonları incelenmiş ön hidroliz süresinin en etkili değişken olduğu belirlenmiştir. Ayrıca, hazırlanan kaplama çözeltilerinin raf/kullanım ömürlerinin belirlenmesi amacıyla çözeltilerin belirli periyodlarla viskoziteleri ölçülmüştür. Kaplama içerisine eklenen Gümüş Nitratın, kaplama hazırlık prosesi içerisinde belli aşamalarda UV absorbansları ölçülmüş ve hidroliz esnasında gümüş iyonun absorbansının arttığını, son hidroliz ile birlikte gümüş iyonunun absorbansının tamamen yok olduğu tespit edilmiştir. Dolayısıyla, gümüş iyonunun (Ag+), kaplama matrisinde yer alan hidroksil grupları ile tepkimeye girerek gümüşe (Ago), indirgenip ağ içerisine yerleştiği varsayılmıştır. Aynı aşamalarıda yapılan pH ölçümlerinde de pH değerlerinin ilk hidrolizle 4.6‟dan 4.3‟e ve son hidrolizle birlikte pH=3‟e inerek daha asidik bir çözelti haline gelmesi de kaplama çözeltisindeki gümüşün indirgenerek hidroniyum (H+) iyonlarını ortaya çıkardığını desteklemektedir. Kaplamaların yüzeyden elemental kimyasal analizi ve kaplama kalınlığı SEM-EDS ile, yüzey morfolojisi ise AFM analizleriyle değerlendirilmiştir. Özellikle, AFM analizinde, kaplama yüzey morfolojisinde nanoboyutta gümüş zenginleşmesi gözlenmiştir. Karakterizasyon ve fiziksel testler sonucunda seçilen kaplama örnekleri antibakteriyel aktivite testlerine maruz bırakılmıştır. En yüksek çizilme direnci veren kaplama kompozisyonuna florosilan ilavesiyle kolay temizlenebilirlik özelliği sağlanmıştır. Kolay temizlenebilirlik, temas açısı (CA) ölçümleriyle belirlenmiştir. Anti bakteriyel, çizilme direnci yüksek ve kolay temizlenebilen kaplamaların, Gram negatif Escherichia Coli (E.Coli) ve gram pozitif Staphylococcus Aureus (S.aureus) bakterilerine karşı anti bakteriyel aktivite testi yapılmış ve log 5 = %99.999 seviyesinde yüksek antibakteriyel özellik tespit edilmiştir. Sonuç olarak, çizilme direnci yüksek (8N) ve kolay temizlenebilen (CA=98-108) antibakteriyel (log5) kaplamalar geliştirilmiştir.
Çok Duvarlı Karbon Nanotüp Katkılı Polietersülfon (pes) İçi Boşluklu Ultrafiltrasyon Membran Üretimi Ve Karakterizasyonu

(Fen Bilimleri Enstitüsü, 2013-02-18) Şengür, Reyhan ; Koyuncu, İsmail ; 458591 ; Nanobilim ve Nanomühendislik ; Nanoscience and Nanoengineering

Su, bütün dünya üzerinde yaşayan canlılar için en önemli maddedir. Su bu kadar önemliyken yaklaşık 2.7 milyar kişinin hâli hazırda içilebilir su kaynaklarına ulaşamaz durumda olması, bu sayı daha da artmadan bizleri bu duruma çare olabilecek yeni yöntemler bulmaya itmektedir. Son yıllarda membran teknolojileri, su, atıksu ve proses suyunu arıtmada önemli bir yer almıştır. Membranlarda sıkça karşılaşılan sorunlar kirlenme ve konsantrasyon polarizasyonudur. En iyi özelliklere sahip bir membranda olması gerekenler yüksek bir geçirgenlik değeriyle birlikte yüksek bir giderim veriminin de olması, ayrıca düşük kirliliğe ve ilk yatırım maliyetiyle işletim maliyetinin de düşük olmasıdır. Teknolojideki gelişmeler sayesinde membran kirlenmesiyle başa çıkabilecek yeni teknolojiler ortaya çıkmıştır. Nanoteknoloji sayesinde membranların kullanımını daha geniş bir çerçeveye yaymak mümkün olacaktır. Çünkü nanoparçacık katılarak üretilen membranların saf membranlara göre üstün özellikler sergilediği ve membran performansını da iyileştirdiği gözlemlenmiştir. Bu çalışmada polietersülfon ultrafiltrasyon membranına farklı fonksiyonelliğe sahip çok duvarlı karbon nanotüp eklenip, membranların karakterizasyonu yapılmıştır ve bu nanotüplerin membran kirlenmesi üzerine etkileri incelenmiştir. Bu amaçla kullanılan farklı fonksiyonelliğe sahip çok duvarlı karbon nanotüpler, karboksil ve hidroksil çok duvarlı karbon nanotüpleri olmuştur. İçi boşluklu membranlar faz ayrımı metodu kullanılarak üretilmiştir. En uygun çözelti reçetesini bulana kadar birçok farklı konsantrasyon ve farklı malzemeler katılarak membran üretilmiştir. Bunların sonucunda %20 PES, %5 PVP K30, %2 PVP K90 ve %73 DMF kullanılmasına karar verilmiştir. Daha sonra bu reçete kullanılarak 7 farklı membran dökülmüştür. Döküm çözeltisine % 0.2, %0.4, %0.8 oranında hem karboksil hem de hidroksil çok duvarlı karbon nanotüp eklenmiş ve membranlar üretilmiştir. Her çözelti dökülürken 3 farklı işletim parametresiyle oynanıp 3 farklı membran örneği alınmıştır. Parametrelerdeki değişkenler çekme hızı ve hava boşluğu olmuştur. Membranlar üretildikten sonra 12 saat boyunca suda yıkanmıştır. Üretilen membranların yarısı üretim sonrası prosese tabi tutulmuştur. Bu proseste membranlar 4000ppm lik sodyum hipoklorit çözeltisine konmuş ve 2 gün bekletilmiştir. Sonrasında bütün membranlar %10/90’lık gliserol/su çözeltisine konmuştur. Membran modülleri hazırlanmıştır ve bütün deneyler bu aşamaların sonunda yapılmaya başlanmıştır. Membranların karakterizasyonu için birçok yöntem kullanılmıştır. Çözelti viskozitesi, membran geçirgenliği, temas açısı, su geri kazanımı, toplam kirlilik oranı, BSA giderimi, yüzey fonksiyonelliği, yüzey yükü, mekanik dayanımı gibi özellikleri ölçülüp hesaplanmıştır. Membranın dış yüzeyi, çapı ve yanal yüzeyinin yapısı hakkında bilgi sahibi olmak için taramalı elektron mikroskopu ve stereo mikroskop görüntüleri çekilmiştir. Ayrıca membranların antibakteriyel özellik gösterip göstermediği de kontrol edilmiştir. Sonuçlara göre çözelti vizkozitesi karboksil çok duvarlı karbon nanotüp eklendiğinde sürekli artmıştır. Fakat hidroksilik çok duvarlı karbon nanotüp eklendiğinde vizkozite ilk önce düşmüştür. Karbon nanotüp konsantrasyonu arttıkça bir artış gözlemlenmiştir. Taramalı elektron mikroskopu ve stereo mikroskopla çekilen fotoğraflar sonucunda membranların yuvarlak bir yapıda olduğu gözükmüştür. Yan kesiti incelendiğinde ise membranlarda genel olarak süngerimsi ve parmağımsı yapılar görülmüştür. Çekme hızıyla oynanması, hava boşluğunun değiştirilmesi gibi parametrelerin etkileri membranın dış yüzeyinde, yan kesitinde, ve membranlar çaplarında açıkça gözükmektedir. Üretim sonrası prosesinin membranları ne şekilde etkilediğini görebilmek için hem proses görmüş hem de görmemiş membranların geçirgenlik oranları hesaplanmıştır. Bunun sonucunda prosesten geçen membranların daha yüksek geçirgenlik oranlarına sahip olduğu gözlenmiştir. Karboksil çok duvarlı karbon nanotüp kullanıldığında, geçirgenlik oranı karbon nanotüp yüzdesi arttıkça ilk önce düşmüş, daha sonrasındaysa artmıştır. Fakat hidroksil çok duvarlı karbon nanotüp kullanıldığında, karbon nanotüp yüzdesi artışıyla birlikte geçirgenlik değeri de artmıştır. 8.4m çekme hızı ve 15cm hava boşluğunda daha geçirgen membranlar elde edilmiştir. 0 cm hava boşluğunda ve 4.2m çekme hızında daha düşük geçirgenlik oranı elde edilmiştir. Temas açısı sonuçlarına göre, üretim sonrası prosese tabi tutulan membranlarda, hidrofilik PVPnin membranlardan yıkanması sonucu, temas açısı değerleri artmıştır. Her iki fonksiyonel karbon nanotüpte de nanotüp yüzdesinin artışıyla birlikte temas açılarında genel olarak düzensiz bir değişim olmuştur. Bu noktadan sonra yapılan bütün deneyler üretim sonrası proses gören membranlar üzerinden yapılmıştır. Membranların toplam gözeneklilik değerleri incelendiğinde en yüksek gözeneklilik % 0.4 karboksil çok duvarlı karbon nanotüpte ve 8.4m çekme hızında ve 15cm hava boşluğu kullanıldığında % 69 olarak elde edilmiştir. En düşük gözeneklilik ise % 0.2 hidroksil çok duvarlı karbon nanotüp, 4.2m çekme hızı ve 15cm hava boşluğunda % 12,5 olarak elde edilmiştir. Yüzey yükleri değerlendirilirken farklı pH aralıkları seçilmiştir. Bu aralık pH 3-10’dur. Membran kirlenmesi için yüzey yükü parametresi oldukça önemlidir. BSA proteini pH 6.8-7.0 arasında negatif yüke sahiptir. Üretilen membranlarda bu aralıktaki pH değerleri incelenmiştir ve bu pH değeri arasında negatiflik ne kadar fazlaysa membran kirlenmesinin o kadar düşük, ne kadar azsa membran kirlenmesinin o kadar fazla olduğu görülmüştür. Membranların tekrar kullanılabilirlik özelliklerini gösteren geri kazanım oranları da hesaplanmıştır. Sonuçlara göre karboksil çok duvarlı karbon nanotüp kullanılan membranlarda geri kazanım yüzdeleri daha fazla olmuştur. Nanotüp yüzdesinin artışıyla birlikte bu geri kazanım genel olarak düşüş göstermiştir. En iyi sonuçlar 8.4m çekme hızında ve 15cm hava boşluğunda elde edilmiştir. Hidroksil çok duvarlı karbon nanotüp eklenmesi genelde geri kazanım oranlarını saf membranlardan daha düşük olmuştur. Karbon nanotüp yüzdesinin artışıyla birlikte, 4.2m çekme hızı ve 0 cm hava boşluğu hariç (bu parametreler kullanıldığında konsantrasyon artışıyla birlikte geri kazanım artıp, azalmıştır.) bu oran düzensiz bir şekilde değişme göstermiştir. Toplam membran kirlenme oranı hesaplanırken geri dönüştürülemez ve dönüştürülebilir kirlenme oranları hesaplanmıştır. Farklı üretim parametreleri kulanıldığında elde edilen membran kirlenmeleri de farklı olmuştur. Karboksil çok duvarlı karbon nanotüp kullanıldığında genel olarak saf membrana göre daha düşük membran kirlenmesi olmuştur. Hidroksil çok duvarlı karbon nanotüp kullanıldığında ise saf membrana göre yüksek kirlenme oranları hesaplanmıştır. Geri dönüşsüz kirlenme, ana membran kirletici mekanizma olmuştur. BSA giderimleri geçirgenlik oranı arttıkça düşmüştür. Membran matrisine karbon nanotüp eklenmesiyle birlikte membranların mekanik dayanıklılığında artış gözlemlenmiştir. Genel olarak karbon nanotüp eklenmiş bütün membranların elastisite modülü değerleri saf membranlara göre yüksek çıkmıştır. Farklı üretim parametrelerinin kullanması sonucu elastisite modülü değerleri de farklılık göstermiştir. En iyi elastisite modülü değeri daha iyi moleküler dizilimin gerçekleştiği yüksek çekme hızı (8.4m) ve 15cm hava boşluğunda elde edilmiştir. Her iki fonksiyonellikte de karbon nanotüp yüzdesinin artışıyla birlikte düzensiz bir değişim meydana gelmiştir. Ayrıca kopma anındaki uzama değerleri de farklı üretim parametreleri kullanıldığında düzensiz bir değişim göstermiştir. Membranların antibakteriyel özelliklerini incelemek için Escherichia Coli kullanılmıştır. 1 günlük inkübasyon sürecinden sonra, Escherichia Coli büyümesinin ne kadar olduğu incelenmiştir. Sonuçlara göre hem karboksil çok duvarlı karbon nanotüp hem de hidroksil çok duvarlı karbon nanotüp hiç antibakteriyel özellik sergileyememiştir.
Development and characterisation of functional nanofibers for face mask applications

(Fen Bilimleri Enstitüsü, 2020) Baysal, Tuğba ; Demir, Ali ; 633557 ; Nano Bilim ve Nano Mühendislik

Nowadays, air pollution is a major problem all around the world and human life is seriously and negatively affected by air pollution. It causes serious health problems including cancer. Air pollutants can be classified into three groups as ultra-fine particulates, toxic gases and biological pollutants involving viruses and bacteria. Very recent COVID-19 pandemic has clearly showed all humanity how a minute virus-based air pollution could be a human disaster. In this study, the filtration application of nanofibrous mats to be functionalized with MgO or ZnO nanoparticles have been investigated. Firstly, effect of MgO NP concentration and thickness of nanofiber layer on particulate filtration have been investigated. 25% MgO/PAN filter produced with 60-min electrospinning time have showed high filtration efficiency of 97,6% and low pressure drop of 215 Pa, which meet the face mask standard of EN149+A1. It has been shown that as the nanoparticle concentration in the polymer solution increases; the surface of the nanofiber filter becomes rough, the nanofiber diameters increase, and the particle filtration performance of the filter increases. The increase in filtration efficiency of the filter is related to the adsorption ability of MgO NPs and the decrease in pressure drop value is related to the increased pore size among nanofibers. Secondly, adsorption studies with toluene gas, one of the toxic volatile organic compounds, have been carried out using MgO/PAN NF with various MgO NP concentrations, various nanofiber layer thicknesses and two different adsorption times. Physical adsorption takes places between toluene gase and MgO NP by the means of hydroxyl and oxide groups on the surface of the nanoparticle. We have achieved a high amount of toluene adsorption of 53.31%. Antibacterial efficacy of ZnO/PAN filter have been evaluated by using two types of bacteria, gram positive S. aureus and gramnegative E. coli. The antibacterial activity of ZnO NPs was found to be higher against E. coli than S. aureus due to differences in the cell membrane of two different bacteria type.
Dna İle Fonksiyonellendirilmiş Silika Kaplı Ɣ-fe2o3 Manyetik Nanopartiküllerin Spektroskopik, Morfolojik Ve Elektrokimyasal Empedans İle Karakterizasyonu

(Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016-01-21) Sayınlı, Burcu ; Saraç, Abdülkadir Sezai ; 10098977 ; Nano Bilim ve Nano Mühendislik ; Nanoscience and Nanoengineering

Manyetik nanopartiküller süperparamanyetizm, yüksek koersivite (artık mıknatıslanım) ve yüksek manyetik duyarlılık gibi çeşitli spesifik manyetik özelliklere sahip partiküllerdir. Pek çok farklı disiplinlerden araştırmacılar manyetik nanopartiküllere ve onların manyetik akışkanlar, veri depolama, kataliz ve biyolojik uygulamaları alanlarına karşı önemli ilgi göstermektedir. Günümüzde manyetik nanopartiküller yaygın olarak manyetik biyolojik ayırım, hücre, protein, nükleik asit, enzim, bakteri ve virüs gibi biyolojik varlıkların tespiti, klinik tanı ve terapi (manyetik rezonans görüntüleme), hedefe yönelik ilaç salınımı, biyolojik etiketleme, RNA ve DNA saflaştırması, enzim ve protein immobilizasyonu ve kataliz gibi önemli biyolojik uygulamalarda kullanılmaktadır. Son dönemlerde manyetik nanopartiküllerle ilgili yapılan çalışmalar artmış olup, özellikle çalışmalar magnetit (Fe3O4), hematit (α-Fe2O3), magemit (ɣ-Fe2O3), vüstit (FeO), ε-Fe2O3, and β-Fe2O3 gibi demir oksit nanopartiküllerinin farklı türlerine yoğunlaştırılmıştır. Demir oksit nanopartikülleri arasından magnetit ve magemit formundaki nanopartiküller biyouyumluluk, toksik olmamam, biyo-çözünürlük, geniş yüzey alanı, küçük partikül boyutu ve uygun manyetik özelliklerinden dolayı biyolojik, biyomedikal uygulamalarda oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır. Manyetik demir oksit nanopartikülleri yüzey-hacim oranın yüksek olmasından dolayı fazla miktarda enerjiyi yüzeyinde barındırır. Bu sebeple, hem nanopartiküller arasındaki hidrofobik etkileşimleri hem de yüzey enerjisini azaltma isteği, manyetik nanopartiküllerin agrege olmasına (bir araya toplanma), partikül boyutunun büyümesine neden olur. Demir oksit nanopartikülleri yüksek kimyasal aktiviteye sahiptir ve havaya maruz kaldıklarında kolaylıkla okside olabilirler. Bu durum genellikle demir oksit nanopartiküllerinin manyetizm ve dağılabilirlik özelliklerinin azalmasına neden olmaktadır. Tüm bu sorunların üstesinden gelmek, manyetik nanopartiküllere stabilite ve fonksiyonalite kazandırmanın yolu, demir oksit nanopartiküllerinin yüzeyinin modifiye edilmesidir. Manyetik nanopartiküllerin yüzeyi organik moleküller,yüzey aktif maddeler, polimerler, biyomoleküller, metal ya da metal olmayan maddeler, metal oksit, metal sülfid veya silika ile kaplanarak modifiye edilebilir. Organik yapılarla kaplı demir oksit nanopartikülleri, nanopartiküllerin yüzeyini çevreleyen fonksiyonel gruplar sayesinde çeşitli alanlarda uygulama imkanı sunmaktadır. Organik moleküllerin nanopartiküllere sunduğu bu fonksiyonel gruplara aldehid, hidroksil, karboksil ve amino grubu örnek gösterilebilir. Bu gruplar çeşitli uygulamalar kapsamında antikor, protein, DNA, enzim gibi biyolojik moleküllere bağlanabilirler. Manyetik nanopartikülerin silika ile kaplanması partiküllere stabilite kazandırır ve partiküller arası etkileşimden meydana gelen aglomerasyonun oluşmasını önler. Bununla birlikte, silika kaplı demir oksit nanopartikülleri daha iyi biyouyumluluk, hidrofilisite ve stabilite özellikleri göstermektedir. Ayrıca silika ile kaplama kalınlığı diğer kaplama maddelerine göre daha kolay kontrol edilebilmektedir. Silika kaplı manyetik nanopartiküller enzim immobilizasyonu, ilaç salınımı, çevresel teknoloji, biyolojik ayırım gibi özellikle biyolojik uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Silika kaplamanın bir başka avantajı ise farklı biyomoleküllerin silika yüzeyine bağlanabilmesine olanak sağlamasıdır. Demir oksit nanopartikülleri, yüzeyine farklı biyolojik moleküller bağlanarak fonksiyonellendirilebilinir. Protein, polipeptid, antikor, biyotin ve avidin gibi biyolojik moleküller kimyasal olarak demir oksit nanopartikülüne bağlanır. Bu modifikasyon demir oksit nanopartikülüne fonksiyonel gruplarından dolayı hem hedef özelliği hem de biyouyumluluk kazandırır. İlgili çalışmaya manyetik demir oksit nanopartikülleri ve bu nanopartiküllerin biyouyumluluk, toksik olmama, biyo-çözünürlük, geniş yüzey alanı ve düşük partikül boyutu gibi üstün özellikleri ve biyolojik, biyomedikal uygulamalarda oldukça yaygın olarak kullanılmasından ilham alınarak başlanmıştır. Kaplanmamış manyetik demir oksit nanopartiküllerinin partiküller arası etkileĢim ve hidrofobisite sonucu oluĢan aglomerasyonuna karĢılık nanopartiküllerin seçilen uygun yöntemlerle modifiye edilmesi planlanmıĢtır. Bu sebeple aglomerasyonu engellemek adına demir oksit nanopartikulleri silika ile kaplanmıĢtır. Silika kaplama demir oksit nanopartikillerinde aglomerasyunu önlemenin yanı sıra nanopartiküllerin biyouyumluluk, hidrofilisite ve stabilite özelliklerini iyileĢtirmiĢ, ayrıca farklı uygulamalara yönelik nanopartikül yüzeyine çeĢitli biyolojik grupların bağlanmasına da olumlu yönde katkı sağlamıĢtır. Bu çalışmada, silika kaplı magemit (ɣ-Fe2O3) yapısındaki demir oksit nanopartikülleri kullanılmıştır. Bu nanopartiküller hem sentezlenmiş hem de ticari olarak Chemicell firmasından alınmıştır. Alınan ve özel adı SiMAG olan bu nanopartiküllere Sentromer DNA Teknolojileri firması tarafından özel adı Cola, 3C-Cola ve 6C-Cola olmak üzere farklı DNA oligonükleotidleri bağlanmıştır. Silika kaplı magemit (ɣ-Fe2O3) yapısındaki demir oksit nanopartikülü sentezi için ilk olarak FeCl2.4H2O (demir (II) klörür tetrahidrat) ve FeCl3.6H2O (demir (III) klörür hekzahidrat) kimyasallarından magnetit (Fe3O4) sentezlenmesiyle başlanmıştır. Sentezlenen magnetit nanopartikülü 300°C'de kül fırınında kalsine edilerek magemit yapısında dönüştürülmüştür. Ardından magemit nanopartikülleri TEOS (tetraetil ortosilikat) kimyasalı varlığında silika ile kaplanmış ve silika kaplı magemit yapısındaki demir oksit nanopartikülleri elde edilmiĢtir. Hem sentezlenen hem de ticari olarak alınan (SiMAG) silika kaplı magemit yapısındaki demir oksit nanopartikülleri spektroskopik olarak FTIR-ATR (Fourier Transform Infrared - Attenuated Total Reflectance), Raman ve UV-Vis Spektrofotometre cihazlarıyla karakterize edilmiştir. Analiz sonuçları karşılaştırıldığında iki numunenin de aynı karakteristik pikleri/bandları verdiği, analiz sonuçlarının örtüĢtüğü, dolayısıyla sentez yoluyla elde edilen silika kaplı magemit yapısındaki demir oksit nanopartikülünün ticari olarak alınan nanopartikül ile içerik ve yapı bakımından aynı olduğu görülmüştür. DNA oligonükleotidleri (ttr4 ve dT20), SiMAG, SiMAG nanopartikülüne farklı DNA oligonükleotidleri bağlanmış olan SiMAG-Cola, SiMAG-3C-Cola, SiMAG-6C-Cola ve ticari olarak Chemicell firmasından alınan SiMAG-30T nanopartikülleri spektroskopik (UV-Vis Spektrofotometre), morfolojik (AFM (Atomik Kuvvet Mikroskobu) ve SEM (Taramalı Elektron Mikroskobu)) ve elektrokimyasal (Elektrokimyasal Empedans Spektroskopisi (EIS)) ile incelenmiş, karakterize edilmiştir. Konsantrasyon, DNA bağlanması, bağlanan DNA uzunluğu gibi parametrelerin empedans, kapasitans, UV absorbans ve tanecik büyüklüğüne etkileri araştırılmıştır. Ölçümler sonucunda konsantrasyonun artmasıyla Cdl (çift tabaka kapasitansı) ve CLF (düşük frekans kapasitansı) değerlerinin azaldığı, empedans (|Z|) ve UV absorbans değerlerinin artığı gözlemlenmiştir. Ayrıca, DNA oligonükleotidinin manyetik nanopartiküle bağlanması ve DNA oligonükleotid uzunluğunun 12 bazdan 30 baza arttırılması sonucunda granül çapının ve pürüzlülüğün arttığı, empedans değerinin azaldığı ve Cdl ve CLF değerlerinin arttığı görülmektedir.
Elekto Çekim Yöntemi İle Biyouyumlu Polimerlerden Nanolif Üretimi Ve Streptavidin İmmobilizasyonu

(Fen Bilimleri Enstitüsü, 2012-12-25) Polat, Ece ; Saraç, A. Sezai ; 435643 ; Nanobilim ve Nanomühendislik ; Nanoscience and Nanoengineering

Günümüzde, nanolifler sahip oldukları yüksek yüzey alanı hacim oranına bağlı olarak birçok biyomedikal uygulamada tercih edilmektedir. Poli (antranilik asit) sahip olduğu karboksil grubu nedeniyle protein immobilizasyon çalışmalarında kullanılabilecek polianilin türevi bir polimerdir. Biyouyumlu polimerler ise toksik olmamaları ve kolay degrede olabilmeleri gibi özelliklere sahipken, yapılarında fonksiyonel grupları olmamalı nedeniyle protein immobilizasyon çalışmalarında ve hücre tutunma çalışmalarında kullanımı sınırlıdır. Bu çalışmada, öncelikle poli (antranilik asit) ile biyouyumlu polimerler olan polivinilpirolidon ve polikaprolakton karışımları gerçekleştirilerek gelecekte kullanım amaçları için fonksiyonel yüzeye sahip polimerler elde edilmiştir. Bu polimerlerden nanolif üretebilmek için elektro çekim yöntemi kullanılmıştır. Ayrıca, kondüktometre ve elektrokimyasal empedans spektroskopisi kullanılarak elektro çekim çözeltileri ve üretilen nanoliflerin iletkenlikleri tayin edilmiştir. Sonrasında, streptavidin proteini en hidrofobik özelliğe sahip nanolifler üzerine immobilize edilmiştir. Sonuçlara göre üretilen bu nanoliflerin gelecekte birçok biyolojik amaçlı uygulamalarda kullanılabileceği anlaşılmıştır.
Elektro Çekim Yöntemi İle Elde Edilmiş İletken Polimer Nanofiber Mat Yüzeylerinde Biyomimetik Hücre Zarı Üretimi Ve Karakterizasyonu

(Fen Bilimleri Enstitüsü, 2017-01-16) Seherler, Şebnem ; Kök, Fatma Neşe ; 10135084 ; Nano Bilim ve Nano Mühendislik ; Nano Science and Nano Engineering

Biyolojik zar yapıları hücrede canlılığın korunmasında önemli bir role sahiptir. Hücre zarı tüm organizmalar tarafından hücre içeriğini dış etmenlerden ayırmak ve korumak amacıyla kullanılmaktadır. Yüksek yapılı canlılarda ise diğer biyolojik zar yapıları bölümleşme ve organel oluşturulmasında kullanılmaktadır. Biyolojik zarların içeriği fonksiyon ve kullanıldığı bölgeye göre değişse de, ana bileşenler fosfolipitler ve proteinlerdir. Diğer bileşenler ise karbonhidratların protein veya lipit yapılarına eklendiği glikoprotein ve glikolipit yapılarıdır. Hücre zarının yapı ve fonksiyonunu detaylıca anlayabilmek, hücreler arası etkileşimin manipülasyonu, sinyal yolaklarının karakterizasyonu, ilaç taşıma ve hedeflemeleri ile biyosensör platformlarının geliştirilmesini kolaylaştıracaktır. Bu sebeple model membran sistemlerinin kullanılması ve geliştirilmesi büyük önem arz etmektedir. Hücre zarının ortalama %40-50 oranında fosfolipitlerden oluşması çift katmanlı lipit zar modellerini bu tür çalışmalar için uygun bir aday haline getirmektedir. Globular proteinlerin tutuklanması ile yapılandırılan çok sayıda biyosensör üretilip kullanılmasına rağmen, geniş hidrofobik bölgeler içeren membran proteinlerinin kullanıldığı platformlar sayıca azdır. Bunun nedeni membran proteinlerinin globular proteinler gibi sulu ortamda fonksiyonel üç boyutlu yapısını koruyamayarak denatüre olmasıdır. Ancak, ilaçların ve biyolojik savaş ajanlarının büyük bir bölümü membran proteinlerini hedef aldığından bu sistemlerin çalışılması önemlidir. Bu sebeple membran proteinlerinin canlılarda bulunduğu şekli ile çift katmanlı lipit membranlara entegre edildiği sistemler geliştirilmesi gereklidir. Bu çalışmanın amacı iletken nanofiber matı üzerinde çift katmanlı bir lipit zarı oluşturmaktır. İmal edilen yapının model biyosensör platformu olarak kullanılması hedeflenmektedir. Polikaprolakton (PCL) nanofiber matları elektro çekim yöntemi ile üretilmiştir. Elektro çekim yönteminde nanofiberler bir şırınga içindeki polimer çözeltisinin yüksek voltajla hızlandırılarak elektrik alan içinde taşınıp hedef üzerinde toplanmasıyla oluşturulur. Bu taşınma sırasında çözücü buharlaşır ve hedef (toplayıcı) üzerinde yalnızca nanofiberler kalır. Nanofiberlerin morfolojik yapıları çözelti ve üretim sürecine ait çeşitli parametrelerin değiştirilmesi ile değiştirilebilir. Bu çalışmada elde edilen fiberler rastgele konumlandırılmıştır. PCL nanofiberler üzerine in situ polimerizasyon yöntemi ile polipirol (PPy) tabakası kaplanmıştır. Dopant olarak Demir(III)Klorür çözeltisi kullanılmıştır. Çeşitli monomer (pirol (Py)) konsantrasyonları ve polimerizasyon zamanları in situ polimerizasyon yöntemi için denenmiştir. Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR-ATR) ve Raman Spektroskopisi yöntemleri PCL ve PPy ile kaplı PCL nanofiberlerinin kimyasal karakterizasyonu amacı ile kullanılmıştır. 3500-2700 cm-1 civarındaki geniş N-H bandı ve 1100 cm-1 ye denk düşen düzlem içi N-H deformasyon bantları polipirolün yapıya katıldığını göstermektedir. Bu FTIR-ATR sonucu Raman spektroskopisi ile ayrıca desteklenmektedir. Nanofiberlerin morfolojik özellikleri ve pürüzlülükleri Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ve Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM) ile incelenmiştir. Elektro çekim ile elde edilen PCL nanofiberlerinin çapı 251,81 nm olarak ölçülmüştür ve yüzey pürüzlülüğü düşüktür. Düşük monomer konsantrasyonlu in situ polimerizasyon denemelerinde fiber çapı 453,20 nm olarak ölçülmüş olup pirol ile ilişkilendirilen karnabahara benzer yapı gözlemlenmiştir. Yüzey pürüzlülüğü polimerizasyondan sonra artmıştır. Py konsantrasyonunun arttırılması ile birlikle PPy katmanının sadece nanofiberlerin üzerini kaplamadığı, gözeneklere de girdiği gözlemlenmiştir. Monomer miktarı ve polimerizasyon zamanı arttırıldıkça yüzeyin PPy filmi ile kaplanırlığı ve oluşan katmanın kalınlığı yükselmiştir. Nanofiber çaplarının arttığı gözlemlenmiş olsa da üzerlerindeki katman nedeniyle tam boyutunu belirtmek mümkün olmamıştır. Bu aşamadan sonra optimize edilmiş olan PPy kaplı PCL (PCL/PPy) elektrotlarının üzeri fosfatidilkolin (PC) ile kaplanmıştır (PCL/PPy/PC). PC hücre zarının yapısında en çok bulunan fosfolipit olup zwitteriyonik yapıda bir moleküldür. PC lipozomları (kesecik) PBS çözeltisi içinde lipozom yayma tekniği ile PCL/PPy elektrotları üzerine kaplanmış olup yüzey kaplamaları SEM ile gözlemlenmiştir. SEM görüntülerinde yüzey kaplamalarının her örnek için benzer olmadığı görülmüştür. Üretilen elektrotların elektrokimyasal özelliklerine ilişkin veriler Elektrokimyasal Empedans Spektroskopisi (EIS) ile elde edilip Eşdeğer Devre Modellemesi (ECM) ile analiz edilmiştir. Empedans ölçümleri 0.01 Hz ve 100 kHz frekans aralığında gerçekleştirilmiştir. Yük transfer direnci (Rct) elektrot yüzeyinin direnci ile doğrudan bağlantılı olup yüzeyin iletkenlik özelliklerinin karakterizasyonunda önemli bir parametredir. Bu çalışmada Rct değerinin en yüksek olduğu durum PCL elektrotlarına aittir. PPy kaplaması ile Rct değeri düşmüştür. Yapıdaki artan PPy konsantrasyonu ile birlikte Rct değerindeki düşüş artmıştır. PC lipozomları ile yapılan kaplama sonucu Rct değerinin yükseldiği gözlemlenmiş, ancak bu yükseliş PCL seviyesine ulaşmamıştır. Sonuç olarak, PCL elektrotlarının PPy ile kaplanması iletkenliği arttırmış, PPy üzerinin PC lipozomları ile kaplanması görece yalıtkan bir tabaka oluşturmuştur. Tüm bu değişimler empedans grafiklerinde ayırt edilebilir farklara neden olduğundan EIS metodunun süreci takip etme açısından verimli olduğu belirlenmiştir. İmal edilen sistemin membran proteinlerinin entegrasyonu ve/veya hücre zarı ile etkileşen çeşitli bileşiklerin tespitinde kullanılması hedeflenmektedir. Sistemin geliştirilmesi amacı ile lipozomlar PC ve fosfatidilserin(PS) fosfolipitlerinin değişik moleküler oranlarda karıştırılması ile hazırlanılarak ve elektrokimyasal olarak incelenebilir.
Enhancing mechanical performance and flame retardancy of polyethylene fibers

(Institute of Science And Technology, 2020-06-15) Günaydın, Beyza Nur ; Kılıç, Ali ; 513171003 ; Nano Science and Nano Engineering ; Nano Bilim ve Nano Mühendislik

Production of high performance functional fibers is widely investigated in the literature. Although traditional melt spinning is commonly used in the production of regular fibers using thermoplastic polymers, gel spinning, or other solvent-assisted systems are preferred with high molecular weight polymers for high performance fibers. These types of fibers have various uses in industrial applications, thanks to their performance to be utilized well in demanding areas such as ballistic (bulletproof vests), automotive, aerospace, energy, and electronics. In addition, these fibers have the potential to be used as reinforcements in fiber and fabric form in the composite applications. The fibers used in composite materials generally require high mechanical performance, however, in the aviation and defense industry, in addition to mechanical performance, the properties of thermal and flame retardancy are also required. Therefore, the thermal and flame retardant properties of the fibers should be improved in addition to mechanical performance. In this thesis, firstly, polyethylene (PE) fibers were produced with a novel melt spinning line. It is aimed to improve the mechanical, thermal and flame retardant properties of the fibers by integrating nano and micro-sized additives into the melt spinning line determined in the light of the preliminary studies made with PE molds. In this context, a novel melt spinning line is designed considering a relatively low cost and environmentally friendly approach and high productivity. In this case, the traditional system was modified and named as HiPER for the high performance and functional fiber manufacturing. For the production polyethylene was preferred due to very high mechanical properties, semi-crystalline structure, costs and wide usage area. Using the novel system, the fiber was produced from linear low density polyethylene (LLDPE) polymer. To determine fiber properties, tensile testing, scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD) and differential scanning calorimeter (DSC) tests were conducted. HiPER fiber exhibited 202 MPa strength and 1329 MPa elastic modulus although they were not exposed to any drawing process. This corresponds to 166% strength and 371% module increase compared to control polyethylene fibers produced under the same conditions without using the HiPER system. In addition, the elongation at break was reduced by 71% and the fibers showed more brittle structure for the HiPER fibers. Apart from the mechanical properties, it has been observed that the HiPER system increased the crystalline, amorphous and chain orientation of the fibers by effecting the internal structure. In the second part of the thesis, various additives were used to provide flame retardant properties in addition to the mechanical performance. Three different types of flame retardant materials have been investigated, including minerals containing aluminum trihydrate (ATH), phosphorus containing additives, and nanocomposites (nanoclay and crystalline nanocellulose). The mechanical and flame retardant performances of the obtained fibers and the effects of the additives were investigated. For the detection of thermal degradation, TG analyzes were performed. Limit oxygen index (LOI) and micro combustion calorimeter (MCC) tests were also used to determine the burning behaviors. As a result of the studies, it has been observed that the HiPER system is suitable for fiber production, and it is easy to produce performance fibers in one step. Other advantages of the novel line are that the system is environmentally friendly, does not require the use of high molecular weight polymers for high performance fiber production, and does not require a system that contains solvents that can cause harm to human health. In the preliminary studies made with the novel system, high performance fiber production was achieved at different take-up speeds. The effects of production parameters and additives on the mechanical, morphological, internal structure, thermal, and flame retardant properties of the fibers demonstrated a high potential usage with industrial-scale production of the fibers for various composite ballistic applications.
Grafen Oksit Nanoparçacıklarını İçeren Nanokompozit Polisulfon Membranların Üretimi, Karakterizasyonu Ve Antibakteriyel Performansları

(Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016-01-21) Yılmaz, Nurmiray ; Koyuncu, İsmail ; 10099174 ; Nano Bilim ve Nano Mühendislik ; Nanoscience and Nanoengineering

Membranlar, ayırmanın ve taşınımın gerçekleştiği seçici geçirgen engeller olarak tanımlanabilmektedir. Membranlar polimerik, cam, metal ve sıvı materyallerden hazırlanabilirler ve gözenekli veya gözeneksiz, simetrik veya asimetrik, ya da kompozit olabilirler. Membran içerisinde bulunan küçük delikler büyük tanecikleri tutup küçük taneciklerin geçmesini sağlar. Malzemenin membranın içinden geçmeye zorlayan güç yoğunluk, basınç, elektrik veya kimyasal potansiyeldir. Membranlar yaprak, tüp, kılcal boru veya içi boş elyaflar şeklinde üretilebilir. En yaygın membranlar polimer membranlardır. Bu tür membranların ultrafiltrasyon, ters osmoz, gaz ayrıştırması ve dializ gibi çok çeşitli uygulamaları vardır. Farklı polimerler (Polietersulfon (PES), polisülfon (PS), selüloz asetat (SA) vs.) iyi ısı direnci ve kimyasal direnci, çevresel etkilere dayanıklılık, kolay işleme ve iyi fiziksel ve kimyasal özellikleri göz önünde bulundurularak membran malzemesi olarak seçilebilir. Genel olarak membranlar ince ve daha geçirgen bir destek malzemesinin üzerinde olacak şekilde üretilirler. Bu destek malzemesi gerekli mekanik mukavemeti de sağlar. Membran materyali normal olarak termal ve kimyasal koşullara, oksitleyicilere karşı dayanıklı olmalıdır. Özellikle kimyasal olarak yıkama yapıldığında bu önemlidir. Membranların tıkanmaya karşı da dayanıklı olması gereklidir. Membran teknolojileri ayırma uygulamalarında önemli bir yere sahiptir. Buna karşılık, membran filtrasyon teknolojileri bazı dezavantajlara sahiptir. Tıkanma, organik ve inorganik maddelerin membran yüzeyinde ve membran gözeneklerinde birikimidir. Filtrasyon performansı kaçınılmaz şekilde membran kirlenmesi nedeniyle zamanla azalır. Ancak, yapısı nedeniyle bazı polimerlerin doğal hidrofobisiteleri ve membran akıları düşüktür. Polimerler kullanılarak özel tekniklerle fiziksel ve kimyasal dayanımı yüksek membran materyalleri üretilebilir. Fakat bu materyaller genel olarak hidrofobik olup, biyoreaktördeki hidrofobik materyallerle tıkanmaya açıktır. Bu nedenle membran materyallerin yüzeyleri modifikasyona tabi tutularak hidrofilik hale getirilir. Membran tıkanma mekanizması ve tıkanma önleyiciler hakkında birçok makale bulunmaktadır. Bu makalelerde üç ana başlık vardır; fiziksel ve kimyasal işleme ile membran yüzey modifikasyonu, nanokompozit membran olarak adlandırılan nanomalzeme içeren membran üretimidir. Nanokompozit membran çalışmaları yararlı sonuçlar vermiştir. Grafen iki boyutlu, bir atom kalınlığında elmasta ve grafitte olduğu gibi bir karbon alotropudur. Grafen sp2 bağlı karbon atomlarından oluşmuştur ve atomları arasında 0.142 nm molekül bağ uzaklığı vardır. Karbon atomlarının iki boyutlu altıgen bir yapıda dizilmiş bu formu, doğada iki boyutlu tek malzeme örneğini oluşturmasının yanı sıra, grafene birçok değişik özellik kazandırmaktadır. Atomları çok sıkı bir şekilde dizilmiştir. Buna rağmen grafen kolayca esneyebilir ve değişik formlardaki bir çok malzemenin yüzeyine kolayca kaplanabilir. Grafenin en önemli üç özelliği çelikten 100 ile 300 kat arası daha sağlam olması, şu ana kadarki bilinen oda sıcaklığında en iyi iletken olması ve esnek olmasıdır. Grafen bilinen en ince ve en hafif malzemedir ve saydamdır. Bir grafen tabakası küresel halde yuvarlandığında fulleren, silindir şekli verildiğinde ise karbon nanotüp oluşturur. Grafen’e oksijen atomları eklenerek elde edilen grafen oksit çok güçlü ve esnektir. Grafen oksitteki carbon katmanları polimer matrisiyle birleştiğinde düşük konsantrasyonlarda bile polimerin fiziksel özelliklerini önemli ölçüde etkiler. Grafen oksitin seçilmesinin nedeni hidrofilikliği ve pH duyarlılığıdır. Bunun yanı sıra çaışmalar gösteriyor ki GO negatif yüzey yüküne sebep olur. Bunların yanı sıra GO bulunduğu polimerin mekanik dayanıklılığınıda arttırmaktadır. GO in yüzeyinde bulunan çeşitli hidrophilik fonksiyonel gruplar dolayısı ile suyu kolayca emer. Bu çalışmanın temel amacı nanomalzemeler ile membran üretimi ve karakterizasyon deneylerinin ardından antibakteriyel performanslarının belirlenmesidir. Bu tez çalışmasında evre dönüşümü yöntemi ile grafen nanoparçacıkları kullanılarak tabaka halinde olarak adlandırılan membranlar üretilmiş ve sonrasında bu membranların karakterizasyonu ve antibakteriyel performanslarına bakılmıştır. Bu çalışma kapsamında dört (4) farklı konsantrasyonda grafen oksit nanoparçacıklı çözelti ve polimer olarak polisülfon kullanılarak membran üretimi gerçekleştirilmiştir. Bu nedenle saf membranda dahil olmak üzere toplamda beş (5) farklı grafen oksit konsantrasyonlarında membran üretilmiştir. Bu çalışma iki ana başlık altında özetlenebilir;(i) evre dönüşüm yönteminde, saf polimerik membranların hazırlanması ve farklı grafen oksit konsantrasyonu ile üretilmesidir, (ii) ilk aşamada üretilen farklı konsantrasyonlara sahip membranların antibakteriyel performanslarının tespit edilmesidir. Deneylerin ilk aşamasında membranların hazırlanması için sabit PVP (%8) membranlar hazırlanmıştır. Nanomateryalli membran üretiminde dört (4) faklı GO oranı kullanılmıştır. Her bir nanomateriyal için kullanılan nanomateriyal oranları % 0.009-0.012-0.024-0.049 olarak seçilmişdir. Düz plaka halinde saf polimerli membranların dökümünde evre dönüşüm (phase inversion) yöntemi kullanılmıştır ve membranların döküm işlemleri aynı şartlar altında gerçekleştirilmiştir. Membran dökümünde ilk olarak homojen dağılımı sağlanmış membran çözeltisi cam yüzey üzerine belirli hacimde dökülmüş ve dökme bıçağı (casting knife) sabit kalınlığa ayarlanarak bu çözeltinin üzerine yerleştirilmiştir ve cam yüzeyinde polimer film oluşturulmuştur. Ardından polimer filmlerinin olduğu camlar değişik konsantrasyonlarda grafen oksit çözeltisi bulunan ve homojenliğin sağlanması için içerisine mikser daldırılmış koagülasyon banyosuna daldırılmışlardır, membranın oluşması beklenmiş ve ardından oluşan membranlar distile suyla dolu kaba alınmıştır. Biyolojik büyümenin olmaması için üretilen membranlar +40C‟de soğuk odada saklanmışlardır. İkinci aşama olan karakterizasyon deneylerinde karakterizasyon deneylerinde manyetik karıştırmalı klasik filtrasyon hücresi kullanılarak geçirgenlik deneyleri yapılmıştır. Cihazlar kullanılarak yapılan karakterizasyon ölçümlerinde, temas açısı, SEM, yüzey yükü, gözeneklilik, yüzey pürüzlülüğü, dayanıklılık, elastisite modulü analizleri gerçekleştirilmiştir. İlk olarak bu membranlar litaratürde de sıkıştırma olarak adlandırılan geçirgenlik öncesi yapılan bir işleme tabii tutulmuştur. Sıkıştırma işlemi;yüksek basınç uygulanarakmembranların saf su ile yıkanması ve bu esnada reaksiyona girmemiş madde kalıntılarının membranlardan yıkanması ve membran gözeneklerinin son halini almasıdır. Ön işlem olarak sayılan sıkıştırma işleminden sonra filtrasyon deneyleri sırayla gerçekleştirilmiştir. Diğer karakterizasyon kısmı olan cihaz analizleri için membran numunelerinin hazırlanmasında sıkıştırma ön işlemi yapılmayan membranlar kullanılmıştır. Membranların por çaplarına bakılmış ve fiziksel deformasyon hakkında bilgi veren çekilme deneyi yapılmıştır. Membranların yüzeylerinin hidrofilik veya hidrofobik özelliğin ölçümü için kullanılan temas açısı cihazında damlatma yöntemi ile analizler tekrarlı olarak yapılmıştır. Sonrasında ise membranların yüzey özellikleri için SEM cihazı ve yüzey pürüzlülük sonuçları için ise optic profilometre cihazı kullanılmıştır.Çalışmanın son kısıma gelindiğinde E.coli bakterisi ile çalışmalar yapılmıştır. Son kısım olarak değerlendirilen bu kısımda membran yüzeylerinde tıkanmaya neden olabilecek mikrobiyal bir üreme olup olmadığının tespiti için agar-plateler kullanılmıştır. Gerçekleştirilen bütün bu aşamalardan sonra antibakteriyel performansı yüksek olan optimum nanokompozit membranlar belirlenmiştir.
Gümüş (ag0) Ve Aluminyum (al0) Nanoparçacıklarının Aktif Çamurdaki Mikrobiyal Yapıya Olan Nanotoksikolojik Etkilerinin Belirlenmesi

(Fen Bilimleri Enstitüsü, 2013-07-11) Parlak, Elif Buket ; Koyuncu, İsmail ; 10006899 ; Nanobilim ve Nanomühendislik ; Nanoscience and Nanoengineering

Nanobilim ve nanoteknoloji, bilimsel çevrelerde dinamik olarak tüm dünyada gelişen alanlardır. Bu teknoloji ilaç, tüketim ürünleri, enerji, malzeme ve imalat alanında bilimsel gelişmeler sunmaktadır. Nanoteknoloji en basit haliyle, genel olarak mühendislik yapılarını kapsasa da 1 ve 100 nanometre arası boyutlar ölçeğinde düzenek ve sistemler olarak tanımlanabilir. Araştırma, geliştirme ve bu özelliklerin kullanımı, yeni teknolojinin merkezinde yer almaktadır. Nanoteknolojinin toplum, sanayi, çevre ve sağlık alanlarında da çok büyük fayda sağlama potansiyeli vardır. Yaşam kalitemizi arttırması ve sera gazı emisyonlarının azaltılması gibi bazı günlük kilit konularda yardımcı olabilmektedir. Enerji depolanması ve veriminin artırımına katkısı, hastalıklara daha iyi tanı ve tedavi yöntemleri sunması, bilgisayar sistemlerini hızlandırması ve kirlenmiş hava, toprak ve suyun iyileştirilmesi gibi diğer kullanım alanları mevcuttur. Nanopartiküller birçok farklı maddeden, elementel kompozisyonu, şekli, boyutu, fiziksel ve kimyasal özellikleri değişim göstererek, çeşitli fiziksel ve kimyasal metotlarla sentezlenebilirler. Nanoboyutta maddelerin özellikleri yığın formuna göre belirgin şekilde değişim gösterir. Maddenin boyutu küçüldükçe atom yüzey alanı artar, bu da reaktifliği arttırır ve yüzeydeki atomlar basit katalitik proseslerin aktif merkezleri olmasıyla yüksek reaktif katalistler haline dönüşürler. Böylece nanopartiküller nanometre ölçeği boyutunda benzersiz elektronik, optik, manyetik ve mekanik özellikler gösterirler. Bu benzersiz özellikleri sebebiyle nanopartiküller kataliz, atıksu arıtımı, tekstil, boya, ilaç iletimi, manyetik rezonans görüntüleme (MRI), doku mühendisliği ve kanser tedavisi alanlarında kullanılmaktadır. Farklı tipteki nanopartiküllere son yıllarda hem sanayi hem de akademik çalışmalarda yoğun şekilde odaklanılmıştır. Nanopartiküller çok küçük boyutlardaki hacimlerine göre geniş yüzey alanları sebebiyle çok reaktiftirler. Yüksek reaktivite potansiyeli, nanopartiküllerin biyolojik sistem ve çevreyle zararlı ilişkisine bağlı olarak toksisiteye sebep olma potansiyeline sebep olabilmektedir. Nanotoksikoloji, özellikle nanopartiküllerin neden olduğu zararlı etkiler alanındaki bilgi boşluğunu doldurmak amacıyla toksikolojinin yeni bir dalı olarak gelişmektedir. Nanotoksikoloji disiplini, sürdürülebilir ve güvenli bir çevrenin gelişimi için önemli katkılar sağlamaktadır. Nanotoksikoloji, fizikokimyasal bileşenler, maruz kalma yolları, biyodağılım, moleküler bileşenler, genotoksikoloji, ve yasal denetimler konularını kapsamaktadır. Ek olarak, nanotoksikoloji nanomateryallerin insan ve çevresel risk değerlendirilmesinde güvenilir, sağlıklı, ve doğruluğundan emin olunan test yöntemlerini de içine alır. Limitli kullanımı olan ürünlerde bulunan nanopartiküllerin, kullanım sonrası bu ürünler uzaklaştırıldığında nanopartiküllerinin geri dönüşümü ve uzaklaştırılması sırasında çevrede yayılımı merak konusudur. Bu nanomateryaller bir kez yayıldıktan sonra biyotik ve abiyotik proseslerle değişime uğrayabilirler. Çevresel dönüşümleri ve işlenmiş nanopartiküllerin zararlarının anlaşılabilmesi nanopartiküllerin tehlikesiz uzaklaştırılmasının tasarım ve gelişimine olanak sağlayacaktır. Kullanılan nanopartikül sayısı günden güne artış göstermektedir, ve bu da nanopartikülleri daha kompleks yapmakta ve benzersiz kimyasal özellikler kazandırmaktadır; bu sebeple ‘güvenli’ nanoteknoloji için, ‘nanotoksikoloji’ çalışmaları toksikoloji (genotoksikoloji ve teratogenitik) ve ekotoksikoloji için standart protokollerin getirilmesi gerekmektedir. Nanomateryallerdeki kullanım artışı, nanopartiküllerin kasıtlı/kasıtsız olarak kanalizasyon ve atıksu arıtma tesislerine girmesine sebep olmaktadır. Atıksu arıtımının nanomateryaller üzerindeki etkileri veya bunun tersi nanomateryallerin atıksu arıtım tesisi üzerindeki etkileri bilinmemektedir. Dahası, bu maddelerin endüstriyel veya evsel atıksu arıtma tesislerinden verimli uzaklaştırılmasının yolu konusunda da soru işaretleri vardır. Son çalışmalar nanopartiküllerin atıksu arıtma sisteminde tutulamadığını ve doğal su ortamlarına deşarj edildiğini göstermektedir. Bu nanopartiküller doğada uzun süre kalmakta ve su yaşamında potansiyel toksik etki göstermektedir. Nanopartiküller yayıldıkları zaman, elektrostatik ve van der Waals etkileşimleri ile sulak yüzeylerle etkileşmekte ve biyolojik türlerle birleşmektedir. Bu sebepten dolayı, atıksu arıtma tesisleri ve atıksu çamurundaki nanopartiküllerin olası davranış ve zararları üzerine yeni analiz yöntemleri gerekmektedir. Bu çalışma, belirli nanopartiküller ile gerçek aktif çamur arasındaki ilişkinin karakterinin belirlenmesi üzerinedir. Bu sebeple bu çalışmada, endüstriyel bazda yaygın olarak kullanılan iki farklı metal oksit (Ag0 ve Al0) nanopartikülünün, gerçek atıksu arıtma tesisinde bulunan mikrobiyal toplulukların aktivitesi üzerindeki inhibisyon etkileri, solunum testleri ve biyolojik analizler ile araştırılmıştır. Deneyler üç aşamada gerçekleştirilmiştir. İlk olarak farklı deneysel koşullarda nanopartiküllerin çözünme oranları belirlenmiştir. İkinci olarak kısa süreli toksisite testleri ve solunum analizleri ile nanopartiküllerin etkisi çalışılmıştır. Son olarak ise uzun süreli testlerle nanopartiküllerin toksik etkisi belirlenmiştir. Nanopartiküllerin çözünme deneylerinde pH (3 - 5 - 7), sıcaklık (25oC – 35oC – 45oC), karıştırma hızı (200 rpm – 400 rpm – 600 rpm – 800 rpm), nanopartikül konsantrasyonu (0.1 - 0.2 - 0.6 - 1%) parametreleri değişimine bağlı olarak farklı deneysel koşullarda analizler gerçekleştirilmiş ve bu numunelerin ICP ölçümleri yapılmıştır. İlk olarak yapılan pH deneyinde sıcaklık, karıştırma hızı ve nanopartikül konsantrasyonu sabit tutulmuş, optimum pH değeri seçilmiştir. İkinci yapılan sıcaklık testinde karıştırma hızı sabit tutulmuş, optimum pH ayarlanmış ve farklı sıcaklılarda yapılan analizler sonucu optimum sıcaklık değeri seçilmiştir. Daha sonra optimum pH ve optimum sıcaklık değerlerinde sabit nanopartikül konsantrasyonunda farklı karıştırma hızları arasında optimum karıştırma hızı seçilmiştir. Son olarak da tüm değişkenler optimum değerlerinde sabit tutularak farklı nanopartikül konsantrasyonları denenmiş ve optimum konsantrasyon seçilmiştir. Deneylerin bundan sonraki aşamalarında bu bölümde seçilen optimum değerler kullanılmıştır. Deneylerin ikinci aşamasında nanopartiküllerin aktif çamur içine kısa süreli şok yüklemesinin biyolojik etkisinin belirlenmesi amaçlanmıştır. Deneyler, optimum koşullar olan pH 7.0, sıcaklık 25.00C, karıştırma hızı 400 rpm seçilerek üç farklı nanopartikül oranında (0.05 - 0.1 - 0.2 %, m/m) gerçekleştirilmiştir. Çözünürlük oranları analizindekilerden farklı nanopartikül oranı kullanılmasının nedeni en yüksek konsansantrasyona 0.1 - 0.2 %, m/m konsantrasyonlarında ulaşılması ve daha düşük konsantrasyonda nanopartikülün etkisinin de araştırılmak istenmesidir. Kısa süreli şok yükleme deneyleri Ag0 ve Al0 nanopartikülleri için üçer saat süreyle birer saat periyotlarla numune alınarak gerçekleştirilmiştir. Deney başlangıcında alınan numunenin askıda katı madde miktarı ve SMP-EPS analizleri yapılmış, diğer saatlerde alınan numunelere yalnızca SMPprotein, SMPkarbonhidrat, EPSprotein, EPSkarbonhidrat analizleri gerçekleştirilmiştir. Deneylerin üçüncü aşamasında nanopartiküllerin uzun süreli (10 gün) etkileri incelenmiştir. Bu aşamada nanopartikül konsantrasyonlarına bağlı olarak bakterilerin biyolojik etkileri üzerine etkisi incelenmesi amaçlanmıştır. Şok yükleme deneylerinde kullanılan aynı deneysel şartlar kullanılmış fakat kısa süreli deneylerden farklı olarak aktif çamurlar sabit hızlı difüzörler ile havalanmıştır. Kısa süreli şok yükleme analizinde verilen toplam nanopartikül miktarı 10 gün süresince 24’er saatlik periyotlarla parça parça aktif çamura verilmiştir. Bu deneyler süresince günlük olarak AKM, viskozite, ODçamur, ODsüpernatant, SMPprotein, SMPkarbonhidrat, EPSprotein, EPSkarbonhidrat analizleri yapılmıştır. Bu deneylerde çamurun AKM, viskozite, ODçamur, ODsüpernatant, SMPprotein, SMPkarbonhidrat, EPSprotein, EPSkarbonhidrat değerleri analiz edilmiş, bir gece besleme yapılmamış, daha sonra sentetik evsel atıksu ve nanopartikül beslemesi yapılarak deneyler gerçekleştirilmiştir. Solunum hızı deneylerinde nanopartikülün miktarına bağlı olarak değişen içsel solunum hızı ve besin varlığındaki solunum hızı üçer saat süresince onar dakikalık periyotlarla ölçülerek analiz edilmiştir. Kısa süreli şok yükleme ve nanopartiküllerin uzun süreli etkileri deneylerinde olduğu gibi 0.05 - 0.1 - 0.2 %, m/m nanopartikül konsantrasyonları ile nanopartikül eklenmiş numuneler üzerinde deneyler gerçekleştirilmiştir. Bir gece sadece havalandırılarak aç bırakılan numunelerin havası kesilmiş ve çözünmüş oksijen probu ile içsel solunum hızı analizleri gerçekleştirilmiştir. Daha sonra glikoz eklenen numunelerin üçer saat boyunca onar dakika arayla çözünmüş oksijen miktarları ölçülmüştür. Bu analiz sonucu bulunan değerlerden içsel solunum hızları çıkarılmış ve substrat varlığında oksijen kullanım oranları bulunmuştur. Böylece nanopartikül konsantrasyonlarının değişim oranlarına göre nanopartikülün toksik etkisi bakteriyel inhibisyon oranına bağlı olarak bulunmuştur. Yapılan analizlerin sonucu olarak AgNP’ünün pH 7’de en fazla çözünürlüğü gösterdiği, sıcaklık artımı ile AgNP çözünürlüğünün azaldığı, karıştırma hızı olarak 400 rpm’de maksimum çözünürlüğe ulaşıp daha sonra düşüşe geçtiği, %0.1 konsantrasyon oranında maksimum çözünürlüğe sahip olduğu gözlenmiştir. Bu ölçüm sonuçlarına göre sonraki aşamalardaki AgNP konsantrasyonları ve ortam şartları seçilmiştir. AlNP ise AgNP ile hemen hemen paralel ancak daha az oranda değişim göstermesi nedeni ve deneylerin gözlenebilirliği açısından aynı şartlarda uygulanmasına karar verilmiştir. Çözünen nanopartikül konsantrasyonu oranının çok düşmesi sebebiyle %0.6 ve %1.0 oranları yerine %0.05 oranı ile çalışmalara devam edilmiştir. İkinci aşama olan kısa süreli şok yükleme deneylerinde AgNP’nin SMPp üzerine etkisi incelendiğinde %0.05 konsantrasyonunda kayda değer bir etki gözlenmemiş, %0.1’de bir artış ve %0.2’de ikinci saat pik değeri sonrası başlangıç seviyesine yaklaşma gözlenmiştir. SMPc üzerinde etkisi olmadığı görümüştür. EPSp için ise % 0.05 için belirgin bir artış görülmüş olmasına rağmen diğer konsantrasyonlarda sabit seyir gözlenmiştir. EPSc oranı ise AgNP eklenmesiyle belirgin bir artış göstermiştir. AlNP eklendiğinde ise SMPp oranı ilk saat yükselmiş olmasına rağmen daha sonra başlangıç değerlerine dönmüştür, SMPc için ise bir değişim gözlenmemiştir. EPSp için ise %0.05 ve %0.1 konsantrasyonlarında azalış, %0.2 oranında arış görülmüştür. EPSc için AlNP’nın etkisi araştırıldığında ise %0.05 için artış, diğer oranlar için ise başlarda çok az bir artış görülmesine rağmen daha sonra başlangıç değerlerine yaklaşmıştır. Respirometrik deneylere bakıldığında ise AgNP AlNP’ye oranla daha fazla olmak üzere içsel solunum hızını azalttığı gözlemlenmiş, ve nanopartikülün bakteri üzerinde inhibisyon etkisi olduğu sonucuna varılmıştır. Üçüncü aşama olan nanopartiküllerin aktif çamur üzerindeki uzun süreli etkisinde AgNP için bakteriyel büyümeyi belirgin şekilde etkilemediği, viskozite değerini değiştirmediği, OD üzerinde izlenebilen bir etkisi olmadığı görülmüştür. AgNP konsantrasyonun artması SMPp ve SMPc konsantrasyonunu da arttırmıştır. AgNP eklenmesiyle EPSp azalmış, fakat EPSc benzer salının göstermiştir. ODsupernatant sonuçları ele alındığında AgNP içermeyen çamurun çökelme özelliğinin daha iyi olduğu görülmektedir. AlNP ile yapılan analizlerde ise bakteriyel büyümenin azaldığı,viskozitenin ve ODçamur’un değişmediği görülmektedir. SMPp değişimi ise ilk iki gün artış gösterdikten sonra dengelendiği, yedinci günden sonra ise AlNP içerenlerin SMPp konsantrasyonu azalırken nanopartikül içermeyen çamurun SMPp konsantrasyonunun arttığı görülmektedir. %0.05 AlNP konsantrasyonunda SMPc en yüksek değerde okunurken, nanoparçacık içermeyen çamurda bu değer en düşük olarak okunmaktadır. EPSp ve EPSc konsantrasyonlarının ise AlNP eklenmesiyle arttığı gözlenmektedir. ODsupernatant değerinin nanopartikül içermeyen dahil tüm çamurlarda arttığı görülmektedir, buna rağmen, %0.1 AlNP konsantrasyonunda en yüksek değerler gözlenmiştir.
Investigation of electronic properties of twisted graphene layers on HOPG surface by scanning tunneling microscopy

(Institute of Science and Technology, 2020-07-21) Tömekçe, Birce Sena ; Gürlü, Oğuzhan ; 513171004 ; Nanoscience and Nanoengineering ; Nanobilim ve Nanomühendislik

Invention of scanning probe microscopy has enabled real space imaging, detection and investigation of surfaces at the atomic scale for the first time throughout the history, starting the era of nanotechnology. Scanning tunneling microscopy (STM) can be considered as the first scanning probe microscopy technique which brought his inventors a Nobel prize in physics. In addition to characterizing surfaces at the atomic scale, local electronic properties of the surfaces can be explored by STM and scanning tunneling spectroscopy (STS), a technique which is performed by scanning tunneling microscope. Throughout this study, these techniques have been used as main research tools. Graphene is a novel, one-atom thick material composed of carbon atoms. It is the first discovered two-dimensional material, having extraordinary properties. Layer by layer stacked, disordered form of graphene is called graphite, a well-known and simple material that is used in pencils. Graphene layers can easily be removed and displaced on its original substrate graphite, since they are held together by weak van der Waals Interactions. As a result of relative rotation of two graphene layers, moiré superlattices are formed. In fact, moiré pattern is a general name given to the interference pattern with a larger periodicity, generated when two superposed patterns are displaced or rotated relatively. In this thesis study, we refer as moiré patterns or moiré superlattices that are created due to the rotation of the top-most graphene layer on highly oriented pyrolytic graphite (HOPG), used as sample. These twisted graphene areas are encountered on the surface at various sizes and arbitrary moiré superlattice periods which depends on the rotation angle. They were studied by STM tunnel junction bias dependent imaging and differential conductance measurements. Some time ago, a set of magic angles were calculated at which twisted bilayer graphene was predicted to show unusual electronic properties. Two years ago, superconductivity was discovered at the largest of them, the first magic angle. In the first part of the thesis, STM topography images of several moiré superlattices at different bias voltages were acquired. From these data, apparent corrugations of the moiré superlattices and their boundaries with the bare HOPG surface were calculated at each applied bias voltage and their behaviors as a function of bias were investigated. From these information, we aimed to explore whether the measured apparent corrugations completely aroused from an interlayer electronic interaction or structural surface corrugation might also contribute in it. In the second part, we investigated differential conductance (dI/dV) maps of these moiré superlattices and their boundaries by using a lock-in amplifier, in addition to topography images. dI/dV maps give information about the spatial distribution of the local density of states (LDOS) over the surface at various energies which are determined by the value of applied bias voltage. To fully investigate their electronic properties, STS measurements were also performed. Thanks to dI/dV signal provided by lock-in amplifier, dI/dV-V spectra of moiré patterns can be acquired as well as their I-V spectra, without numerical calculation. In the simplest terms, this allows us to detect local variations in the conducting behavior of the surface and variation of local density of states as a function of energy. In the third part of the thesis, a sample biased system combining STM and lock-in amplifier was developed to get rid of disadvantages of the tip biased lock-in amplifier-STM system. An adder circuit was built on a printed circuit board to sum DC bias voltage and AC voltage of lock-in amplifier's reference signal. The output of the circuit was delivered to isolated HOPG sample. Same measurement procedure has been adopted on twisted graphene layers as in the case of tip bias. Finally, the effect of STM bias voltage pulse on moiré superlattices and their boundaries was investigated. Shift and gradual movement of charge densities in dI/dV maps relative to their corresponding topography images were observed.
İnce Film Nanokompozit Desalinasyon Membranları İçin Destek Tabakası Üretimi Ve Karakterizasyonu

(Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016-05-31) Özgür, Kader ; Ahunbay, Mehmet Göktuğ ; 10110993 ; Nano Bilim ve Nano Mühendislik ; Nanoscience and Nanoengineering

İçme suyu eldesi ve üretimi dünya çapında bir problem halini almıştır; birçok ülke için, kullanılabilir içme suyu kaynakları hızlı nüfus artışı ve endüstrileşmeden dolayı artan talebi karşılamak konusunda yetersiz kalmaktadır. Acı sudan ya da deniz suyunda içme ve sulama suyu eldesi sınırlı su kaynaklarına çözüm olarak ortaya çıkmaktadır. Günümüzde, ters osmoz (RO) bu alandaki lider teknoloji konumda olup dünya kapasitesinin yarıdan fazlasının üretiminden sorumludur. Membran malzeme ve teknolojisinde, modül ve proses tasarımında, besleme akımının ön temizliğinde ve enerji geri dönüşümünde son yıllarda gerçekleşen önemli gelişmeler; membran performans özelliklerini iyileştirirken aynı zamanda uygun maliyeti sebebiyle de ticari olarak RO teknolojisini desalinasyon pazarının lideri konumuna getirmektedir. Yüksek tuz giderme, dayanıklılık, atıklarının az olması ve operasyonel kolaylıklarından dolayı, polimerik membranlar RO endüstrisinin hakimi konumundadır. Öte yandan, bazı polimerler doğası gereği sahip olduğu hidrofob özelliklerinden dolayı göreceli düşük geçirgenlik göstermeleri, düşük bor giderimleri ve membran kirlenmesi; çözülmesi gereken önemli sorunların başında gelmektedir. Bahsi geçen problemlerin çözümü için değişik yaklaşımlar geliştirilmiştir. Bunların arasında, Cadotte v.d.'nin, 1970'li yıllarda geliştirdiği; gözenekli destek membranı üzerinde arayüz polimerizasyonu yöntemi ile oluşturulan, seçici ince poliamid (PA) film oluşumunu sağlayan ince film kompozit (TFC) membranların keşfi araştırmacıların ilgisini çeken konuların başında gelmektedir. Bu tür membranlar, %99 üzerinde tuz giderimi sağlarlar. Ticari PA-TFC membranlar, deniz suyundan iyonların neredeyse tamamını giderebildiği halde, bor giderme yüzdeleri normal test koşulları altında %95 dolaylarındadır. Yakın zamanda, RO membranları için, karbon nanotüp (CNT) ve zeolit gibi nano boyuttaki yapıların seçici ince PA film içerisine arayüz polimerizasyonu sırasında yerleştirilmesini sağlayan, yeni karışık matrisli kompozit membran üretimi geliştirilmiştir. Karbon nanotüplerin yapılarından ve çeşitli gruplarla fonksiyonelleştirilebilir olmasından dolayı, seçici PA film içerisinde kullanımı; su geçirgenliğini ve tuz giderimini iyileştirdiğini rapor eden deneysel ve simulasyon çalışmaları mevcuttur. Tez çalışmasında; yüksek bor ayırma kapasitesine sahip, tek duvarlı karbon nanotüplerin seçici PA film içerisine arayüz polimerizasyonu ile yerleştirildiği, yeni nesil ince film nanokompozit (TFN) desalinasyon membranı üretimi ve karakterizasyonu amaçlanmıştır. Çalışmalar üç (3) ana başlıkta toplanabilir: i) polisülfon (PSf) destek membranının faz ayrımı yolu ile üretimi ve membran üretim koşullarının optimize edilmesi, ii) ince film kompozit membran üretimi ve en uygun arayüz polimerizasyon reaksiyon koşullarının belirlenmesi, iii) ticari olarak –COOH gruplu satın alınan tek duvarlı nanotüplerin PSf destek membranı üzerine filtrasyon yöntemiyle yarı-hizalanması ve takiben arayüz polimerizasyonunun yapılmasıyla ince film nanokompozit membran üretimi ve karakterizasyonu. İlk olarak, 70'li yıllardan beri kullanılmakta olan faz ayrımı yöntemiyle PSf destek membranı üretimi ve karakterizasyonu yapılmıştır. Membran malzemesi olarak, literatürde ince film kompozit membran üretiminde en çok tercih edilen polimer olan PSf kulanılmış ve çözücüsü olan 1-metil-2-pyrrolidon (NMP) ile karıştırılarak homojen bir karışım elde edilmiştir. Polimer oranı yine literatürde en çok kullanılan oranlar arasından belirlenmiş ve kütlece %15 olarak sabit tutulmuştur. Düz plaka membran dökümünde, homojen dağılımı sağlanmış polimer çözeltisi cam bir yüzey üzerine dökülmüş; sabit kalınlığa ayarlanmış olan döküm bıçağı ve film döküm makinesini yardımıyla polimer film cam yüzeyinde oluşturulmuştur. Oluşturulan filmler, istenen membran özelliklerine göre, koagülasyon banyosuna daldırılmadan önce çözücünün buharlaşması için belirli bir süre atmosferik koşullarda bekletilmiştir. Ardından, dökülen filmler membran oluşumunun tamamlanması için belirli bir süre koagülasyon banyolarına daldırılmıştır. En uygun çözelti reçetesi ve koşulları bulunana kadar farklı konsantasyonlarda katkı malzemeleri, farklı buharlaşma süreleri ve çeşitli non-solventlerden oluşan, sıcaklığı düşürülmüş koagülasyon banyoları denenmiştir. Non-solvent olarak hem ucuz hem de pek çok polimeri çözmeme özelliğinden dolayı distile su kullanılmaktadır. Bu çalışmada da öncelikli olarak koagülasyon banyosu olarak distile su kullanılmış; ancak oluşan membranların taramalı elektron mikroskobu (SEM) sonuçlarına bakıldığında istenen gözenekli yapıda olmadığı görülmüştür. Bu sebeple, yapılan literatür taramasında koagülasyon banyosundaki non-solventi değiştirmeden önce, dökülen membranların 24 saat koagülasyon banyosunda ve sonrasında 8 saatlik metanol (MeOH) banyosunda tutulması, membran yüzeyinde gözenek oluşumunu sağladığı görülmüştür. Ancak SEM sonuçlarında yine gözenek oluşumu gözlenmediği için farklı yaklaşımlar denenmiştir. Bu kez, kullanılan non-solventi değiştirerek istenen gözenekli yapı elde edilmeye çalışılmıştır. Literatür araştırmasında: non-solvent, solvent ve polimerin Hansen solubilite parametrelerininin biribirine yakın olması gerektiği belirlenmiş ve buna göre izopropil alkol (IPA) non-solvent olarak seçilmiştir. Yine istenen sonuçların elde edilememesiyle polivinilpirolidon (PVP) katkı malzemesi olarak PSf/NMP membran çözeltisine değişik konsantrasyonlarda (kütlece % 2, 5 ve 10) eklenmiştir. SEM analizlerinde gözenek oluşumu görüldü ancak düzenli bir yapıda olmadığı için; farklı buharlaşma süreleri denenmiş ve koagülasyon banyosu sıcaklığı düşürülmüştür. Yapılan çalışmalar sonucunda: % 5 ve % 10 PVP katkılı, soğuk IPA koagülasyon banyosuna daldırılmış, takibinde 8 saat MeOH'de bekletilmiş PSf membranlarının ortalama 30-40 nm civarında gözeneklere sahip olduğu görülmüştür. Bir sonraki aşama olarak PSf destek membranı üzerine arayüz polimerizasyonu yöntemi uygulandı. Bu amaçla, literatür taraması sonucu optimum monomer konsantrasyonları belirlendi. Oluşturulan TFC membranlarının yüzey özelliklerini gözlemlemek amacıyla SEM ve yüzey ıslanabilirliğinin bir göstergesi olan hidrofilik veya hidrofobik özelliğinin ölçümü için de damlatma yöntemi kullanılarak temas açışı analizi yapılmıştır. Distile su ile ıslatılan destek membranı, plastik çerçeve ve cam yüzey arasına sıkıştırıldı ve m-phenylenediamine (MPD)'den oluşan sulu çözelti membran yüzeyine döküldü. Belirli bir süre sonunda MPD çözeltisi döküldü ve çözeltinin fazlası plastik bir rulo yardımıyla membrandan uzaklaştırıldı.Membran tekrar çerçeve arasına alınıp trimesoly chloride (TMC) çözeltisi döküldü. Belirli bir süre reaksiyonundan sonra etüvde ısıtılarak cross-linking reaksiyonu tamamlanması sağlandı. Öte yandan, TFC membranında PA film oluşumunu ve kalitesini etkileyen farklı parametrelerin etkileri denendi. Bu çalışmada, oluşan ince PA tabakasının kalınlığını etkileyen etmenler arasından; farklı gözenek boyutuna sahip destek membranının etkisi, arayüz polimerizasyon süresi ve MPD konsantrasyonu etkileri incelenmiştir. Elde edilen SEM görüntülerine göre: yüzey gözenek büyüklüğü yaklaşı olarak 60 nm olan PSf destek membranının üzerinde oluşturulan PA filmin yaklaşık olarak 200 nm kalınlığında olduğu; öte yandan gözenek çapı ~ 300 nm olan destek membranında 100 nm civarında bir ince filmin oluştuğu gözlendi. Küçük gözenek boyutlarında daha kalın PA filmi oluşmasının başlıca nedeni: küçük gözeneklerin sulu MPD çözeltisinin daha derinlere nüfuz etmesini engelleyerek yüzeyde kalmasına yol açarak yüzeyde daha kalın bir PA tabakasının oluşmasına sebep olmaktır. Büyük gözenek boyutlu membranda ise durum tam tersidir; MPD çözeltisi geniş gözeneklerin iç çeperlerine kadar nüfuz ederek orada da cross-linking reaksiyonu oluşmasına olanak sağlar ve böylece yüzeyde oluşan film kalınlığı küçük gözenekli destek membranda oluşturulan PA tabakadan daha ince olur. Bunu yanı sıra, TFC membran yapımında reaksiyon süresinin etkisi de incelendi. Buna göre; 15 sn'lik sürede yaklaşık olarak 300 nm kalınlığında PA tabakası oluştuğu gözlenirken, aynı tabakanın kalınlığı süre 30 sn'ye çıkarıldığı zaman ~ 1 µm civarında olduğu görüldü. Bu büyük farklılığın ana nedeni; reaksiyon süresi arttıkça MPD ve TMC arasındaki çapraz bağlanma ile oluşan PA tabakasının oluşumunun da artmış olmasıdır. Son olarak, MPD konsantrasyonun etkisini ölçmek için değişik konsantrasyonlarda MPD sulu çözeltisi uygulandı. MPD miktarını arttırmakla daha kalın bir PA tabaka elde edildi. En uygun TFC koşullarını belirlemek amacıyla yapılan yukarıdaki çalışmaların sonuçları, literatürdeki verilerle de birebir örtüşmektedir. TFN membranlarının üretimi için; öncelikli olarak ticari olarak satın alınan –COOH gruplu karbon nanotüpler filtrasyon yöntemi kullanılarak PSf destek membranı üzerine süzülmüştür. Bu esnada pompa yardımıyla vakum uygulanmış ve kesme kuvveti ile karbon nanotüplerin yarı-hizalanması amaçlanmıştır. Oluşturulan, karbon nanotüplü membran üzerine arayüz polimerizasyonu yöntemiyle PA film oluşturuldu. Sentezlenen membranların performans testleri; hazırlanan model çözeltilerde test edilerek membranların tuz giderme yüzdeleri ve su geçirgenlik değerleri laboratuar ölçekli çapraz akımlı ters osmoz cihazında denenmiştir. Test hücre alanının sentezlenen membranlardan büyük olmasından dolayı farklı özelliklere sahip malzemeler ile maskeleme yöntemi geliştirildi. Geliştirilen maskeleme yöntemi performans değerleri bilinen ticari membran ile test edildi. Bunun için maskeli ve maskesiz performans değerleri kıyaslandı. Yöntemin sızıntı olmadan çalıştığı belirlendikten sonra, geliştirilen membranlardan biri olan TFC-5 denendi. 2000 ppm NaCl çözeltisi ve 18 bar basınçta yapılan test sonuçlarına göre; membran ~ %85 tuz giderimine sahip. Elde edilen sonuç; hem literatürde eksik olan maskeleme yöntemi eksiğini kapatmak, hem de desalinasyon uygulamalarında yüksek bor giderme değerlerine sahip TFN membranlarının üretimde kullanılacak destek tabakası üretimi için bir yol gösterici niteliktedir.
Kemik Doku Rejenerasyonu İçin Elektroaktif-biyoaktif Biyomalzeme Olarak P3ana/pcl Nanofiberleri: Sentez, Karakterizasyon Ve Hücre Çalışmaları

(Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016-06-20) Güler, Zeliha ; Saraç, Abdülkadir Sezai ; 10110721 ; Nano Bilim ve Nano Mühendislik ; Nanoscience and Nanoengineering

Doku mühendisliği, organa özgün hücrelerin bir iskelet yapı üzerinde çoğaltılması ile yapay doku ve organların üretilmesini sağlamaktadır. Doku mühendisliğinde kullanılan iskelet, doğal hücredışı matrisi taklit ederek, hücrelere geçici olarak destek sağlayan üç boyutlu bir taslak olarak görev almaktadır. Hücreler, iskelet üzerinde çoğalır, göç eder ve özgün hücrelere farklılaşırlar. Kullanılan iskelet, hücrelere gerekli olan kimyasal, morfolojik ve yapısal sinyaller iletmektedir. Bu nedenle, istenilen şekil, boyut ve işleve sahip dokunun oluşturulması amacıyla iskelet seçimi oldukça önemlidir. İskelet tasarımında biyouyumluluk ve porozite gibi çeşitli özelliklerin gözönünde bulundurulması gereklidir. Porlu yapıları ve geniş yüzey alanına sahip olmalarından dolayı nanofiberler doku mühendisliği iskeleti olarak ideal yapılardır. Nanofiber, boyutları ve fibrilli yapıları dolayısıyla doğal hücredışı matrise benzerlik göstermektedir. Elektrospin yöntemi ile sentetik veya doğal polimerler kullanılarak, doku mühendisliği iskeleti olarak kullanılmak üzere nanofiberler üretilmektedir. Polimerik malzemeler arasında, poli(ε- kaprolakton) (PCL) ve PCL içeren kopilimer veya karışımlar doku mühendislik çalışmalarında yaygın olarak kullanılmıştır. PCL nanofiberleri biyobozunur, biyouyumludur ve özellikler kemik doku mühendisliği çalışmalarına uygun mekanik özelliklere sahiptir. Nanofiberlerin morfolojik özelliklerine rağmen, hücre ve nanofiber arasındaki etkileşimin arttırılması ve doku yenilenmesinin uyarılması amacıyla, hücrelerin fiziksel veya kimyasal faktörlerle uyarılması gerekmektedir. Nanofiberler, büyüme faktörlerinin nanofiber yüzeyinde bulunan fonksiyonel gruplara kovalent olarak immobilizasyonu ile kimyasal olarak modifiye edilebilirler. Fiziksel uyaran olarak ise, özellikle kemik dokusunu uyarmak üzere elektriksel uyarı kullanılabilir. Hem fiziksel hem de kimyasal uyarıların doku mühendisliğinde kullanılabilmesi için uygun bir iskelet malzemenin seçilmesi gerekmektedir. Bu doğrultuda iletken polimerin kullanımı uygun bir alternatif sağlamaktadır. Son yıllarda iletken polimerlerin doku mühendislik uygulamalarında kullanımı ilgi çekmektedir. Polianilin ve türevleri, biyouyumlu ve elektrokimyasal özellikleri tanımlanmış iletken polimerlerdir. Ancak, polianilin ve türevleri çeşitli çözücüler içerisindeki çözünürlüğünün sınırlı olması nedeniyle sınırlı işlenebilirliğe sahiptirler. Bu sorunun aşılması amacıyla anilin monomeri çeşitli fonksiyonel grupların monomere eklenmesi ile modifiye edilmektedir. Poli(m-antranilik asid) (P3ANA), anilin monomerine karboksil (-COOH) grubu eklemesi ile elde edilmiş bir polianilin türevidir. P3ANA yapısına eklenen karboksil grubu, polimerin sulu ve sulu olmayan çözücüler içerisinde çözünmesi sağlamaktadır. P3ANA, iyi tanımlanmış elektrokimyasal özellikleri, yapısında bulunan fonksiyonel grupların varlığı bakımından hem elektriksel uyarıların hücrelere iletilmesi hem de nanofiberlerin biyomoleküller ile kovalent olarak modifiye edilemesi için uygun bir iletken polimerdir. Hücrelere kimyasal ve fiziksel biyoaktif sinyaller ileten bir elektoaktif ve biyoaktif nanofiber hücre iskeleti üretilmiştir. Poli(ε-kaprolakton)/poli(m-antranilik asit) (PCL/P3ANA) nanofiberleri, PCL çözeltisine artan miktarda P3ANA ilave edilmesinin ardından elektrospin yöntemi ile elde edilmiştir. Fiber yapısına artan miktarda P3ANA eklenmesi, daha küçük fiber çapına, daha fazla yüzey pürüzlülüğüne ve yüzey alanına sahip nanofiberlerin üretilmesini sağlamıştır. PCL/P3ANA nanofiberlerinin geniş yüzey alanına sahip olması, nanofiberlerin büyüme faktörleri ile biyoişlevsel hale getirilmesi için daha fazla uygun bölge ve karboksil grubu sağlamaktadır. Nanofiber yapısına artan miktarda P3ANA ilave edilmesi, nanofiberlerin yapısal özelliklerinin değişmesine neden olarak nanofiberlerin mekanik özelliklerini iyileşmesine neden olmuştur. Elektrokimyasal empedans spektroskopik (EIS) ölçümler, PCL/P3ANA nanofiberlerinde bulunan P3ANA miktarının artmasıyla birlikte, oluşan nanofiberlerin yük transfer direncinin düştüğünü ve daha yüksek iletkenliğe sahip nanofiberlerin elde edildiğini göstermiştir. Bu yüksek elektroaktivite hücrelere elektriksel sinyallerin iletilmesi bakımından avantaj sağlamaktadır. Bu sepeble, yapısında en fazla miktarda P3ANA içeren PCL/P3ANA nanofiberlerinin en fazla yüzey alanına, en iyi mekanik ve elektokimyasal özelliğe sahip olmasından dolayı, bu nanofiberler büyüme faktörleri ile işlevsel hale getirilmiş ve hücrelerin elektriksel olarak uyarılması çalışmalarında kullanılmıştır. Proteinlerin, PCL/P3ANA nanofiber hücre iskeletine kovalent olarak bağlanması sonucu biyoişlevsel hale getirilmesi 1-etil-3-(dimetil-aminopropil) karbodiimid hidroklorid (EDC) and N-hidroksisuksinimid (NHS) aktivayonu işlemi ile gerçekleştirilmiştir. Nanofiber yapısında bulunan karboksil gruplarının aktivasyon verimi, değişen EDC/NHS konsatrasyonuna bağlı olarak spektroskopik ve morfolojik olarak incelenmiştir. Elektrokimyasal empedans spektroskopik ölçümler, karboksil gruplarının aktivasyon derecesine bağlı olarak nanofiberlere kovalent bağlanan protein miktarının değiştiğini göstermiştir. Aktivasyon süreci detaylı olarak incelenmiş ve 50/50 mM EDC/NHS konsantrasyonunun nanofiberleri en etkili şekilde aktive eden konsatrasyon olduğu bulunmuştur. Elde edilen nanofiberler arasından hücre kültür çalışmalarında kullanılmak üzere uygun nanofiberlerin seçilmesinden ve kovalent protein immobilizasyonu için en etkili EDC/NHS konsatrasyonun belirlenmesinin ardından, PCL/P3ANA nanofiber hücre iskeleti, in vitro hücre kültür çalışmalarında kullanılmak üzere kemik morfogenetik protein-2 (BMP-2) ve RGD peptid büyüme faktörleri ile biyoişlevsel hale getilmiştir. BMP, kemik oluşumunu destekleyen güçlü bir osteoindüktif faktördür. BMP varlığı, mezenkimal kök hücrelerin alkalin fosfataz aktivitesinin artışına neden olarak osteoblastik fenotipe yönelimini uyarmaktadır. RGD peptid ise birincil kemik hücre cevabını arttırmak üzere bir adezyon peptidi olarak nanofiber yapısına dahil edilmiştir. RGD peptid, mezenkimal kök hücrelerin osteoblastik farklılaşmasını sağlar ve hücre çoğalmasını arttırır. Hücre ve nanofiber iskelet arasındaki etkileşimini arttırarak, hücrelerin nanofiber üzerinde yayılmasını sağlamaktadır. Nanofiberlere bağlanan BMP-2 ve RGD peptid miktarı bikinkoninik acit (BCA) protein deneyi ve Enerji-Dağılımlı X-ray Spektroskopisi (EDX) ile N atomlarının elemental analizleri sonucu belirlenmiştir. Temas açısı deneyleri sonucunda, yüzeye protein bağlanmasının ardından hidrofobik özellik gösteren nanofiber yüzeyinin hidrofilik özellik kazandığı görülmüştür. EIS ölçümleri, nanofiberlere bağlanan proteinlerin nanofiber çift tabaka kapasitansı ve yük transfer direncinin artmasına neden olduğunu göstermiştir. Nanofiberler, Saos-2 hücreleri üzerinde toksik etki göstermemiş ve hücrelerinin tutunma ve büyüme özelliklerini desteklemiştir. En fazla hücre çoğalması RGD peptid immobilize edilen nanofiberler üzerinde gözlenmiştir. Hücre canlılığının, hücrelerin adhezyonu ve nanofiberin yapısal özellikleri ile ilişkili olduğu görülmüştür. PCL, PCL/P3ANA ve PCL/P3ANA-RGD nanofiberleri üzerinde büyütülen hücrelerin morfolojileri birbirine benzerlik göstermiş ve poligonal şekil sergilemiştir. BMP-2 ile işlevsel hale getirilen nanofiber üzerinde büyütülen hücreler osteosit benzeri morfoloji göstermiştir. Cam lamel, PCL, PCL/P3ANA, BMP-2/PCL/P3ANA ve PCL/P3ANA-RGD nanofiberleri üzerinde büyütülen Saos-2 hücrelerinin alkalin fosfataz (ALP) aktivetisi ve kalsiyum birikimi incelenmiştir. BMP-2 immobilize edilmiş nanofiberler üzerinde büyütülen hücreler, diğer nanofiber ve cam lamel üzerinde büyütülen hücrelere kıyasla en fazla ALP aktivitesi ve kalsiyum birikimine sahip olarak, en yüksek osteogenez derecesine sahip olmuştur. Elektriksel uyarının kemik iliği mezenkimal kök hücrelerin kemik hücresine farklılaşmasına etkisi ve PCL/P3ANA nanofiberlerinin elektriksel sinyalleri hücrelere iletimi incelenmiştir. Hücrelerin elektriksel olarak uyarılması amacıyla, 0.5 kHz, 1 kHz, 5 kHz ve 10 kHz frekansta; 200 mV/mm, 400 mV/mm and 800 mV/mm elektrik alan (birim mesafede uygulanan voltaj) uygulanmıştır. En yüksek hücre canlılığı 1 kHz frekans uygulanması ile elde edilmiştir. 0.5 kHz ve 1 kHz frekansta en yüksek hücre canlılığı ise hücrelere 400 mV/mm elektrik alan uygulandığında gözlenmiştir. 800 mV/mm elektrik alan uygulandığında ise uygulanan frekanstan bağımsız olarak hücre canlılığı % 50 oranında düşmüştür. Yüksek frekans (5 kHz ve 10 kHz) hücre canlılık değerlerinin belirgin bir şekilde düşmesine neden olmuştur. Elektriksel uyarı varlığında PCL/P3ANA nanofiberleri üzerinde büyütülen hücreler, nanofiberler üzerine yayılarak çoğalmışlardır. 200 mV/mm ve 400 mV/mm voltaj uygulandığında kök hücreler, adherent hücrelerin sahip olduğu aktin uzantılarıyla birlikte osteosit benzeri morfoloji göstermişlerdir. Kemik iliği mezenkimal kök hücrelerinin osteojenik farklılaşmasını incelemek adına, hücreler ALP aktivetesi ve kalsiyum birikiminin gösterilmesi için boyanmıştır. Hücreler, çoğalma testinde görülen eğilime uygun olarak ALP aktivitesi ve kalsiyum birikimine sahip olmuştur. 800 mV/mm voltaj uygulanan hücreler ALP aktivitesi ve mineralizasyon göstermemiştir. Hücrelerin düşük osteogenez derecesinin, yüksek voltaj uygulanması ile hücre canlılığının azalması ile ilişkili olduğu görülmüştür. En fazla kalsiyum birikimi ve ALP aktivitesi hücreler 1 kHz frekansta 400 mV/mm voltaj ile uyarıldıklarında görülmüştür. Hücrelerin elektriksel uyarıya verdikleri cevabın incelenmesi ile, nanofiber yapısında bulunan P3ANA polimerinin, nanofiberler üzerindeki kemik iliği mezenkimal kök hücrelerine elektriksel sinyalleri iletebildiği gösterilmiştir.
Kuantum Devre Sentezi

(Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015-01-28) Susam, Ömer Can ; Altun, Mustafa ; 10063095 ; Nano Bilim ve Nano Mühendislik ; Nanoscience and Nanoengineering

Bu tez, tersinir devre sentezine dayalı kuantum devrelerin sentezlenmesi için yeni bir yöntem sunmaktadır. Kuantum bilgisayarlar, özellikle kuantum devrelerle oluşturulan kauntum algoritmalar, hesaplamalı alanda vaat ettikleriyle son yıllarda dikkatleri üzerine çekti. Bu bilgisayarlar, klasik bilgisayarların çözemediği kompleks problemleri hesaplamanın önünü açmaktadır. Geleneksel olarak bilgisayarlar 0 veya 1 değeri alabilen bitler ile hesaplamaları gerçekleştirirler. Bitler ile hesaplama genel anlamda oldukça etkin ve verimli olmasına rağmen bazı önemli problemlerin çözümünde yetersiz kalmaktadır. Bunun en önemli nedeni ise bitlerin deterministik olarak çalışması, yani belirli bir zaman aralığında sadece 0 veya 1 değeri alabilmesidir. Richard Feynman tarafından önerilen kuantum bilgisayar fikri, kuantum mekaniğinden faydalanarak hesaplama işlemlerini gerçekleştirme mantığına dayanmaktadır. Bu hesaplama yönteminde, veri saklama elemanları “kübit” olarak adlandırılır. Kuantum mekaniğinin süperpozisyon prensibi gereği, kübitler 0 veya 1 aynı anda hem 0 hem 1 konumunda bulunabilir. Bir başka deyişle bir kübitin değeri, 0 veya 1 olma olasılığını belirtir. Böylece, pratik limitler dahilinde olanaksız olan bir çok problem, kuantum algoritmaları ile rahatlıkla çözebilmektedir. Bu problemlerin belki de en ünlüsü kriptolojide yaygın kullanılan yarı-asal sayıların çarpanlarına ayrılmasıdır. Shor’un kübit tabanlı çarpanlara ayırma algoritması, geleneksel anlamda çözümü yüzyıllar süren durumları, hızlıca çözmektedir. Kuantum devreler, kübitler üzerinde işlem yapan kuantum kapılar kullanılarak inşa edilir. Kuantum devrelerin en önemli özelliklerinden birisi aynı zamanda tersinir (reversible) devreler olmalarıdır. Bu devrelerde, devrenin girişindeki ve çıkışındaki bit sayısı eşittir. Devrenin çıkışındaki değerler bize devrenin girişindeki değerler hakkında bilgi verir. Bu sayede devreleri çift yönlü olarak kullanabilmemize imkan sağlarlar. Tersinir devrelerin en büyük getirisi, bilgisayarlarda yüksek enerji tasarrufuna olanak sağlamalarıdır. Kuantum bilgisayarlar ile ilgili yapılan deneysel uygulamalar her ne kadar emekleme aşamasında olsa da, kuantum hesaplamanın uygulanabilir olduğunu göstermektedir. Bu noktada kuantum hesaplamanın en önemli bölümü olan kuantum devre tasarımı ön plana çıkmaktadır. Çalışmalar en az sayıda kapı kullanarak optimum devreleri sentezlemeyi amaçlamaktadır. Optimize edilmiş devreler, bir yandan güvenilirliği artırırken, diğer bir yandan çalışma süresini düşürmektedir. Şuana kadar yapılan çalışmalarda, optimum devre sentezi sadece 4 bite kadar gerçekleştirildi. Son yapılan ve 84 kübit kullanılan deneyler göz önüne alındığında, optimal devre sentezi pratik olmaktan oldukça uzak kalmaktadır. Bu, çalışmamızı hızlı sentezleme algoritmalarına yönelten motivasyonların başında gelmektedir. Literatürdeki birkaç çalışmada, özellikle yüksek bit sayısı ile sentezleme yapılanlarda, “garbage output” birimleri kullanılmıştır. Bu birimler, ihtiyaç olduğunda kullanılmak üzere devrede fazladan bulundurulan veri yolları olarak düşünülebilir. Bir çok yöntemde, enerji verimililiği ile ilgili problemlerinden ötürü kullanımı düşünülmemiştir. Bu nedenle çalışmamızda “garbage ouput” kullanmadık. Önerdiğimiz yöntem, istenilen fonksiyonu kuantum kapıları kullanarak verimli bir şekilde elde etmekte ve bunu iki ana aşamada yapmaktadır. İlk aşamada, permütasyona dayalı bir algoritma ile seçilen bit büyüklüğüne göre optimum sayıda kapı kullanılan “temel fonksiyonlar” sentezlenmektedir. Her temel fonksiyon için, en az kapı sayısından başlayıp, tüm kapıları ve permütasyonlarını deneyerek, fonksiyonu gerçekleştiren devreyi temel fonksiyonlar kütüphanesine ekler ve bir sonraki temel fonksiyonu aramaya başlar. Kütüphane tamamlandıktan sonra sıralama aşamasına geçilmektedir. Algoritmanın bu aşaması, en çok vakit alan kısım olmasına rağmen, temel fonksiyonların sayısının azlığı ve sıralama algoritmasının hızı, bu yöntemi literatürdeki çalışmalardan oldukça hızlı kılmaktadır. Optimum çözüm üretmeyen yöntemlerle bu devreler çok daha hızlı bir şekilde elde edilebilir ancak devre maliyetleri çok daha yüksek olacaktır. Temel fonksiyonların maliyetleri, oluşturulacak olan tüm devrelerin maliyetini etkileyeceğinden, devreleri optimum olarak sentezlemeyi tercih ettik. Devre sentezleme aşaması, istenilen fonksiyonu elde etmemizi sağlayan sıralama süreci ile devam eder. Bu süreç, algoritmamıza hızını kazandıran, yöntemimizin en önemli bölümdür. Sıralama algoritmaları, matematik ve bilgisayar biliminde uzun süredir çalışılan bir konu olduğundan, birçok farklı sıralama algoritması geliştirilmiştir. Biz çalışmamızda, “Seçmeli Sıralama” algoritmasını kullandık. Bu sıralama yöntemi, verilen fonksiyonu, doğruluk tablosu ile karşılaştırarak satır satır kontrol edip, eşleşmeyen her durum için temel fonksiyonlardan birini kullanarak, fonksiyonu adım adım birim fonksiyona çevirmektedir. Diğer sıralama algoritmalarının aksine kaydırma veya bölme işlemlerini uygulamadığından, fazladan temel fonksiyon kullanımını önleyerek, devre maliyetini düşük tutmaktadır. Örneğin, birleştirmeli sıralama, verilen sıralama kümesini öncelikle alt kümelere ayırıp, bu alt kümeleri sıralamaktadır. Ardından, oluşturulan alt kümeler, parça parça birleştirilerek her yeni birleşmede yeni bir sıralama yapılmaktadır. Sıralamalardaki yer değiştirme işlemlerinin her biri ek bir temel fonksiyon kullanımına neden olmaktadır. Aynı şekilde, eklemeli sıralama algoritmasında kullanılan kaydırma işlemlerinin her biri, bir temel fonksiyona karşılık gelmektedir. Seçmeli algoritma ile oluşturulan devrelerin maliyeti, yerdeğiştirilecek olan satırların değiştirilme sırasının, doğru bir şekilde belirlenmesiyle iyileştirilebileceğini gösterdik. Bu amaçla, çalışmamıza her fonksiyon için optimum sıralamayı bulan ek bir bölüm ekledik. Eklediğimiz bu kısım bazı devrelerin maliyetini azaltırken, programın çalışma süresini artırmıştır. İkinci aşama, oluşturduğumuz şablonları kullanarak, sentezlenen devrelerde optimizasyon yapmaktadır. Şablonlar, aynı fonksiyonu daha az sayıda kapıyla gerçekleyen ve devredeki eşdeğeri ile değiştirilerek toplam kapı sayısında düşüş sağlayan devrelerdir. Şablonlarımızı iki farklı yolla oluşturduk. Birincisi, tersinir kapı kütüphanemizi kullanarak. İkincisi de bu kütüphanedeki kapıların içlerinde bulunan kuantum kapıları göz önüne alarak. Birinci yöntem, sıralama algoritmasının uygulanmasından sonra, aynı iki kapının yanyana gelebileceği göz önünde bulundurularak üretilmiştir. İkinci türdeki şablonlarda, sentezlediğimiz devrelerde sıkça kullandığımız Toffoli kapısının, kuantum kapılarla (V, V† ve CNOT) kaç farklı şekilde gerçekleştirilebileceğini inceledik. Bu aşamada, kompleks sayılardan oluşan matrisleri kullanacağımız için, MATLAB programını kullandık. Devre içiersinde Toffoli kapısının yanına gelen CNOT kapılarından bir kısmının optimizasyon için kullanılabileceğini gösterdik. Ayrıca çalışmamızda, pozitif kontrollü kapılara (CNT) ek olarak negatif kontrollülerinde sentezleme aşamasına eklenmesiyle devre maliyetlerinde önemli ölçüde iyileştirmeler elde ettik. Kuantum hesaplama, deneysel olarak bir çok farklı şekilde gerçekleştirilmiştir. Her gerçeklemenin, kendine özgü prensipleri ve özellikleri olduğundan, algoritmalardaki kapıların uygulanış biçimi de farklı olmaktadır. Bu nedenle, her yöntem için ayrı kapı maliyetleri oluşmaktır. Çalışmamızki kuantum devrelerin maliyetlerini literatürde yaygın olarak kullanılan NCV-111 maliyet metriğini kullanarak hesapladık. Son olarak, yöntemimizi literatürde bulunan çalışmalar ile kıyasladık.

Gözat

Yayın Türü "Thesis" ile FBE- Nano Bilim ve Nano Mühendislik'a göz atma

Sayfa başına sonuç

Sıralama Seçenekleri