Hofmeister serisi tuzların elektrostatik etkileşimli lbl filmlerin kararlılıklarına etkisinin QCM-D tekniği ile incelenmesi
Investigation the effect of hofmeister series salts on the stability of electrostatically interacted lbl films by QCM-D technique
Yazar: SEVGİ KEMEÇ
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN DELİGÖZ
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimyasal Teknolojiler Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Günümüzde, çok tabakalı fonksiyonel film (PEM) uygulamalarının gelişmesine ve nano ölçekte kontrol edilebilir yüzeylerin tasarlanmasına bağlı olarak biyoteknoloji, membran prosesleri ve akıllı malzemeler gibi farklı alanlarda önemli gelişmeler yaşanmaktadır. PEM'lerin hazırlanmasında nano ölçekte film oluşumunu sağlayan, pratik ve ekonomik bir uygulama olan tabakalı kaplama (LbL) yöntemi yaygınca kullanılmaktadır. LbL PEM'lerin sundukları avantajlar ve geniş kullanım alanlarına rağmen üretim ve uygulama koşullarına bağlı olarak mekanik özelliklerinin ve kimyasal kararlılıklarının pH ve tuz ilavesi gibi dış uyaranlar varlığında değişkenlik göstermesi, kullanımlarını kısıtlayan en önemli unsurlardır.
Tez kapsamında, Kuvars Kristal Mikro Terazi-Disipasyon (QCM-D) tekniği ve LbL yöntemi kullanılarak hem QCM-D sensör hem de cam malzeme yüzeyinde 5 ve 10 çift tabakalı filmler hazırlanmış ve bu filmlerin Hofmeister serisinde yer alan tuzlara karşı tabaka kararlılıkları ve viskoelastik özellikleri araştırılmıştır. Bu amaçla, pozitif ve negatif yüklü polielektrolitler (PE) olarak sırasıyla poli(alilamin hidroklorür) (PAH); poli(stiren sülfonat sodyum tuzu) (PSS) ve poli(akrilik asit) (PAA) kullanılarak hazırlanan LbL filmlerin, tuz çözeltilerine karşı tabaka kararlılıkları tuzların tür ve konsantrasyonuna, kullanılan PE çiftlerine, tabaka sayısına ve iyon özelliklerine göre incelenmiştir. Tuz çözeltilerine karşı en düşük ve en yüksek tabaka kararlılığına sahip filmlerin yüzey özelliklerinin belirlenmesi için optik mikroskop incelemesi, temas açısı ölçümü, AFM ve SEM analizleri yapılmıştır.
Bu tezde, hazırlanan LbL filmlerin Hofmeister tuzlarına karşı tabaka bütünlüğünü büyük oranda koruyabildiği, ancak (NH4)2CO3 çözeltisine maruz bırakılmış (PAH-PSS)5 ve (PAH-PSS)10 filmlerinin ve Li2CO3 çözeltisine maruz bırakılan (PAH-PSS)5 filminin tabaka kararlılığını koruyamadığı saptanmış; MgSO4 çözeltisine maruz bırakılan PAH/PAA filmin yapısında kısmen bozunma meydana geldiği belirlenmiştir. PAH/PAA filmlere göre PAH/PSS filmlerin daha düşük disipasyon değişimi sergilediği, buna karşın PAH/PAA filmlerin daha yüksek tabaka kararlılığı gösterdiği ve yüksek ∆D değerlerine ulaştığı belirlenmiştir. 
Sonuç olarak, LbL filmlerin Hofmeister serisi tuzlarına karşı tabaka kararlılıklarının QCM-D tekniği ile belirlenmesinin yanı sıra farklı uygulama alanlarına sahip PEM'lerin kullanım sınırlarının Hofmesiter tuzları bağlamında ortaya konulmasının bilimsel literatüre katkısının olacağı düşünülmektedir.

Abstract:
In today's world, significant advancements are being made in various fields such as biotechnology, membrane processes, and smart material design, thanks to the development of multilayer functional thin films (PEMs) and the design of nano-scale controllable surfaces. Layer-by-layer (LbL) coating, which is a highly practical and economical method, is widely used in the preparation of PEMs, enabling the formation of nano-scale films with desired properties. However, despite the advantages and broad applicability of LbL-based PEMs, their mechanical properties and chemical stability vary under external stimuli such as pH, salt concentration, and ionic strength, which limits their usage.
Within the scope of this thesis, 5 and 10 bilayer films were prepared on both sensor and glass material surfaces using the Quartz Crystal Microbalance with Dissipation (QCM-D) technique and dip coating method. The layer stability and viscoelastic properties of the LbL films, prepared using positively charged polyelectrolyte (PE) poly(allylamine hydrochloride) (PAH) and negatively charged polyelectrolytes poly(styrene sulfonate sodium salt) (PSS) and poly(acrylic acid) (PAA), were investigated against salt solutions based on the Hofmeister series. The stability of the films was studied considering the concentration/type of salts, PE pairs, number of layers, and the chaotropic and kosmotropic properties of ions. After QCM-D analyses, optical microscopy examination, contact angle measurements, atomic force microscopy (AFM) analysis, and scanning electron microscopy (SEM) analysis were performed to investigate the surface properties of the films that exhibited the lowest and highest stability against salt solutions.
Within this thesis, it was determined that the prepared LbL films could preserve their layer integrity almost entirely against Hofmeister salts. However, (PAH-PSS)5 and
(PAH-PSS)10 films exposed to (NH4)2CO3 salt solution could not maintain their layer stability, and it was observed that the (PAH-PSS)5 film had no layer stability against Li2CO3 solution. Additionally, partial degradation was reported in the structure of the PAH/PAA film exposed to MgSO4 solution. It was found that PAH/PSS films exhibited lower dissipation changes compared to films prepared from PAH/PAA, while PAH/PAA films showed higher layer stability and reached higher ∆D values.
In conclusion, the use of the highly sensitive and current QCM-D technique for sorption studies, along with the determination of the usage limits of PEMs with different technological applications in the context of Hofmeister series salts, is believed to contribute to the scientific literature.