Bazı MXene yapılarının organik moleküllerle etkileşmesinin incelenmesi
Investigation of interaction of some MXene structures with organic molecules
Yazar: İLKAY ÖZDEMİR
Danışman: PROF. DR. ETHEM AKTÜRK
Aydın Adnan Menderes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
MXene materyalleri olarak bilinen geçiş metali karbür, nitrür veya karbonitrürler
iki boyutlu malzeme ailesinde, son yıllarda, özellikle uygulamalarının geniş bir
yelpazeye dağılması sebebiyle ilgi odağı olmuştur. 2011 yılında sentezlendikten
bu yana, bu yapıların özellikleri lityum iyon pilleri, süper kapasitörler, katalizörler,
fotokatalizler, alan etkili transistörler ve biyomedikal gibi çeşitli uygulama alanları
açısından araştırılmaktadır. Ancak, biyomedikal alanındaki uygulamalarda bu tür
malzemelerin kullanılması için detaylı teorik ve deneysel çalışmalara gereksinim
vardır. Bu nedenle, grafen benzeri yeni nesil malzeme olarak kabul edilen
ve biyomedikal uygulamalar için önemli olan hidrofilik özelliğe sahip MXene
malzemeler ile nörotransmitter bazı küçük biyolojik moleküllerin etkileşmelerinin
fiziksel ve kimyasal detaylarının araştırılması, bu alandaki uygulamaların gelişmesi
için anahtar görevi üstlenecek nitelikte olacaktır.
Bu tez kapsamında, yukarıda bahsedilen nedenlerden dolayı, iki boyutlu
MXene'lerin (Ti3C2 ve Ti2C), nörotransmitter moleküller (dopamin, glisin, serin
ve glutamat) ile atomik boyutta etkileşmeleri ilk prensiplere dayalı yoğunluk
fonksiyonel teorisi (YFT) hesaplamaları ile incelenmiştir. Bu incelemelerin
sonucunda elektronik, manyetik ve optik özellikleri belirlenerek biyomedikal
uygulamalar için önemli bilgilerin elde edilmesi hedeflenmiştir. Yapılan
hesaplamalar neticesinde ilk olarak, seçilen MXene yapılarının kararlılığı fonon
eğrileri ve sıcaklığa bağlı moleküler dinamik hesapları ile test edilmiş ve 300 K
ve 500 K sıcaklıkta yapıların bozulmadan kararlı hallerini koruduğu bulunmuştur.
Elektronik özelliklerine dair yapılan hesaplar sonucunda her iki yapının da
manyetik metal olarak davrandığı bulunmuştur. Seçilen MXene yüzeyleri ile
moleküllerin etkileşimi incelenmiş ve dopamin molekülünün Ti3C2 yüzeyine 6.05
eV'lik bağlanma enerjisi ile tutunduğu; ancak dopamin, glutamat, glisin ve serin
moleküllerinin Ti2CF2 yüzeyi ile arasındaki etkile¸simin 0.504 ile 0.743 eV arasında
fiziksel etkileşme olduğu, kimyasal bağlanma gerçekleşmediği belirlenmiştir.

Abstract:
Transition metal carbides, nitrides or carbonitrides, known as MXene materials,
have been the focus of attention in recent years due to the wide range of applications
in the two dimensional materials family. Since its synthesis in 2011, the properties
of these structures have been investigated in terms of various applications such
as lithium ion batteries, super capacitors, catalysts, photocatalysis, field effect
transistors and biomedical. However, there is a potential for research in the
biomedical field that needs to be clarified. Therefore, investigations of the
physical and chemical details of small biological molecules interacting with
MXenes, known as graphene-like new generation materials, will be the key to the
development of applications in this field.
In this thesis, we mainly focused on investigating the interaction between the
selected two dimensional MXene materials, Ti3C2 and Ti2C, and the selected
small organic molecules, dopamine, glycine, serine and glutamate in the atomic
level by means of the first principles based density functional theory (DFT)
calculations. In all structures the geometric optimizations were done and the
electronic, magnetic and optical properties were discussed. As a result, we first
verified the stability of structures by phonon dispersion curves and temperature
dependent molecular dynamics calculations, and found that Ti3C2 and Ti2C can
maintain their monolayer form at 300 K and 500 K temperatures for 2 ps. We
observed the electronic structures and showed that Ti3C2 and Ti2C act as magnetic
metals. In further step, we investigated the interaction of MXenes and selected
organic molecules and found the orientations and points in which the binding
energies have the maximum value. As a result, we found that dopamine bound
to the Ti3C2 surface with the binding energy of 6.05 eV; while there is no chemical
bonding but physical interaction between Ti2CF2 surface and dopamine, glutamate,
glycine and serine molecules in the energy range of 0.504 and 0.743 eV.