Ανάπτυξη και μελέτη πολυμερικών νανοδομών με ελεγχόμενη μορφολογία ή/και λειτουργικότητα
Authors: Καραμήτρου Μέλπω 
Published: September 2021

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή επιδιώκεται η σύνθεση και ο χαρακτηρισμός πολυμερικών νανοδομών ελεγχόμενης μορφολογίας, με την τεχνική του πολυμερισμού μέσω ελευθέρων ριζών (FRP) σε οργανωμένα υδατικά διαλύματα, καθώς και η διερεύνηση δυνητικών εφαρμογών των υλικών αυτών. Για το σκοπό αυτό, ο πολυμερισμός των υλικών πραγματοποιείται παρουσία οργανωμένων υπερμοριακών δομών, οι οποίες αναμένεται να λειτουργήσουν ως εκμαγεία (templates). Τα εκμαγεία αυτά οργανώνονται από κατάλληλες επιφανειοδραστικές ενώσεις μέσω υδρόφιλων/υδρόφοβων ή/και ηλεκτροστατικών αλληλεπιδράσεων σε υδατικό περιβάλλον. Οι κατηγορίες εκμαγείων που αξιοποιήθηκαν σε αυτή τη μελέτη είναι: οι δομές αυτοοργάνωσης των επιφανειοδραστικών ενώσεων σε φυλλώδη (Lamellar) ή σπογγώδη (sponge) φάση, η ανάπτυξη σκωληκοειδών μικκυλίων και η ικανότητα των επιφανειοδραστικών ενώσεων να δημιουργούν γαλακτώματα παρουσία κάποιας οργανικής φάσης.Τα μονομερή που επιλέχθηκαν για τον πολυμερισμό στο επιθυμητό εκμαγείο είναι το στυρόλιο (St), το 4-βινυλοβενζυλοχλωρίδιο (VBC), ο οξικός βινυλεστέρας (VAc) και το στυρενοσουλφονικό νάτριο (SSNa), ενώ οι επιφανειοδραστικές ενώσεις που χρησιμοποιήθηκαν για το σχηματισμό των εκμαγείων ήταν το δωδεκυλο θειικό νάτριο (SDS), το βρωμιούχο δεκαεξυλτριμεθυλαμμώνιο (CTAB) και ο πολυαιθυλενο-γλυκολ-δωδεκυλ-αιθυλαιθέρας (Brij-30). Για τη σταθεροποίηση της μορφολογίας, όλοι οι πολυμερισμοί πραγματοποιήθηκαν παρουσία του διασταυρωτή διβινυλοβενζόλιο (DVB). Μέσω ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM) ή/και διαπερατότητας (TEM) επιβεβαιώθηκε, η σύνθεση νανοσφαιρών (PSt), πλακόμορφων νανοδομών (PSt, PVAc και PVBC) και δικτύου νανοράβδων (PSt και PVBC). Η επιτυχία των συνθέσεων καθώς και η διατήρηση της μορφολογίας έπειτα από θερμική καταπόνηση ή χημικές τροποποιήσεις, όπως θα παρουσιαστούν στη συνέχεια, πιστοποιήθηκε με φασματοσκοπία υπερύθρου ATR-IR, θερμοσταθμική ανάλυση TGA και ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης SEM. Η ειδική επιφάνεια των δειγμάτων προσδιορίστηκε με τη μέθοδο Brunauer-Emmet-Teller (BET).Η αναζήτηση πρωτότυπων δυνητικών εφαρμογών των συντεθέντων υλικών αποτέλεσε το αντικείμενο ενασχόλησης των επόμενων σταδίων της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Έτσι, διερευνήθηκε η εφαρμογή τους ως εν δυνάμει προσροφητές χρωστικών ουσιών από υδατικά απόβλητα ή προσροφητές μοριακού οξυγόνου από υδατικά συστήματα ή αέρα. Όσον αφορά την πρώτη εφαρμογή, αξιοποιήθηκαν τα δίκτυα νανοράβδων διασταυρωμένου PVBC τα οποία τροποποιήθηκαν κατάλληλα με φορτισμένες ομάδες ή φορτισμένα πολυμερή. Διαπιστώθηκε πως η προσροφητική ικανότητα των υλικών αυτών έναντι των αντίθετα φορτισμένων χρωστικών ουσιών Orange II και Methylene blue είναι σημαντική, 175mg/g – 500 mg/g και 160 mg/g για τις δύο χρωστικές αντίστοιχα.Η εναλλακτική λειτουργικότητα των νεοσυντεθέντων υλικών που μας απασχόλησε ήταν η προσρόφηση μοριακού οξυγόνου από υδατικά συστήματα ή αέρα. Για το σκοπό αυτό αξιοποιήθηκαν τόσο υδατοδιαλυτά πολυμερή όσο και σφαιρικά νανοσωματίδια PSt ή PVBC, στα οποία ενσωματώθηκε κατά τον πολυμερισμό η δραστική ομάδα της ανθρακινόνης (AQ), η οποία αντιδρά με το οξυγόνο έπειτα από κατάλληλη ενεργοποίηση με UV ακτινοβολία. Ανάλογα με την περίπτωση τα νέα υλικά μελετήθηκαν σε διαλύματα, διασπορές ή ενσωματωμένα σε πολυμερικές μήτρες. Διαπιστώθηκε πως έπειτα από κατάλληλη ενεργοποίηση με UV ακτινοβολία απομακρύνουν αποτελεσματικά το διαλυμένο οξυγόνο από υδατικά συστήματα, με τελική τιμή ~1ppm, ενώ λειτουργούν ικανοποιητικά για τη δέσμευση οξυγόνου του αέρα. Στην περίπτωση του υδατοδιαλυτού συμπολυμερούς, αυτή η λειτουργία συνοδεύεται με αλλαγές στα φάσματα απορρόφησης UV-vis αμέσως μετά την ακτινοβόληση με UV ακτινοβολία, ως ένδειξη σχηματισμού νέων ειδών AQ, καθώς και με σημαντική εκπομπή φωτός από τα φωτο-διεγερμένα είδη της.