Hava-su ara yüzeyinde çeşitli nanoyapıların kendiliğinden kümeleşerek oluşturulması ve elde edilen nanoyapıların karakterizasyonu
Synthesis of the various nanostructures at the air-water interface by the self assembly mechanism and characterization of these nanostructures
Yazar: DİLARA ŞENYÜREK
Danışman: PROF. DR. NİHAL AYDOĞAN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Lipit ve peptitler gibi amfifilik özellikteki moleküllerin çözelti içerisinde oluşturduğu nanoyapılara ek olarak hava-su ara yüzeylerde de kendiliğinden kümeleşerek nanotüp, heliks şekilli ya da levha şeklinde morfolojiye sahip nanoyapılar oluşturabildiği bilinmektedir. Hem çözelti ortamında hem de ara yüzeyde kendiliğinden kümeleşme sonucu elde edilen bu nanoyapıların sahip olduğu fonksiyonlara göre mikroelektronik, sensör, biyomedikal gibi birçok alanda kullanımı bulunmaktadır. Aynı zamanda amfifilik moleküllerin sahip olduğu fonksiyonel gruplara ve ortam koşullarına bağlı olarak alt fazda bulunan metal katyonları hava-su ara yüzeyde indirgeyebildiği de bilinmektedir. Bu çalışma dahilinde hava-su ara yüzeyinde farklı alt faz koşullarında, grubumuzca sentezlenmiş Aqua moleküllerinin davranışının incelenmesi hedeflenmiştir. Çalışmanın bu kısmında öncelikle Aqua molekülünün daha önceki çalışmalarla belirlenmiş prosedürüne göre sentezi gerçekleştirilmiştir. Daha sonra Langmuir Trough cihazında 1 mM derişimde ve pH'ları 9-7-3 olan Ag2SO4 ve Li2SO4  ve pH'ı yine 9-7-3 olan su alt fazları üzerine Aqua molekülünün kloroformlu çözeltisinden belirli bir miktar yayılmış ve sıkıştırma izotermleri elde edilmiştir. Buna ek olarak pH'a duyarlı Aqua moleküllerinin, farklı tuzlarla hazırlanmış, farklı pH'lara sahip alt fazlar üzerinde ve çeşitli yüzey basınçlarında ara yüzeyde kendiliğinden kümeleşme prosesi ile oluşturduğu organik nanoyapıların morfolojilerinin analizlenmesi amaçlanmıştır. Bu kapsamda da yine Langmuir Trough cihazında 1 mM derişimde ve pH'ları 9-7-3 olan Ag2SO4 ve Li2SO4  ve pH'ı yine 9-7-3 olan su alt fazları üzerine Aqua molekülünün kloroformlu çözeltisinden belirli bir miktar yayılmış ve moleküller ara yüzeyde 0, 5 ve 10 mN/m yüzey basınçlarına sıkıştırılmıştır. Daha sonra ara yüzeyde bu yüzey basınçlarında oluşan Aqua kümeleşmeleri Blodgett tekniği ile katı yüzeyler üzerine alınmış ve kümeleşmelerin morfolojisi AFM ile incelenmiştir. 
Bir diğer çalışma olarak ise Aqua moleküllerinin ara yüzeyde daha yoğun kümeleşmeler oluşturması için ara yüzeye yayılan Aqua miktarı arttırılmış ve kümeleşmelerin morfolojisi üzerine alt fazda bulunan Ag2SO4 ve Li2SO4  derişiminin etkisinin incelenmesi amaçlanmıştır. Bu doğrultuda 1 ve 10 mM derişimli pH 7 de hazırlanmış Ag2SO4 ve Li2SO4  alt fazları üzerine Aqua molekülleri yayılmış ve moleküller minimum alan kalacak şekilde ara yüzeyde sıkıştırıldıktan sonra Blodgett tekniği ile kümeleşmeler katı yüzeyler üzerine transfer edilerek SEM ile analizleri yapılmıştır. Aqua moleküllerinin düşük derişimli alt fazlar üzerinde ara yüzeyde tübüler yapıların oluşumu sırasında ara ürün olarak elde edilen heliks şekilli kurdele yapıları oluşturduğu ve boyutlarının mikron mertebesinde olduğu görülmüştür. Aynı zamanda alt faz Ag2SO4 olan sistemde yüksek pH denemesi de yapılarak kümeleşmeler üzerine pH etkisi araştırılmıştır. pH arttırıldığında ise heliks şekillli kurdele yapılar yerine Aqua moleküllerinin ara yüzeyde levha oluşturacak şekilde kümeleştiği belirlenmiştir.
Çalışmanın bir diğer kolunda ise Aqua moleküllerinin alt fazda bulunan Ag⁺ iyonlarını indirgeme yeteneğinin incelenmesi ve indirgenme reaksiyonuna etkiyen parametrelerin belirlenmesi hedeflenmiştir. Bu kısımda 1 ve 10 mM derişimde ve pH'ı 11-7-3 olan Ag2SO4 alt fazları üzerinde 24 ve 48 saat bekleme süreleri denenmiş, ara yüzeyde oluşan organik inorganik yapılar katı yüzeyler üzerine transfer edildikten sonra TEM ile analizi gerçekleştirilmiştir. Ara yüzey alanının gümüş partikül morfolojisi üzerine etkilerinin araştırılması için ise Aqua molekülleri pH'ı 3 ve 11 olarak ayarlanmış 1 mM derişimli Ag2SO4 alt fazı üzerine yayıldıktan sonra moleküller, ara yüzey alanı molekül başına düşen alan 75 Å2'den 30 Å2 olana kadar sıkıştırılmış ve 48 saat beklenmiştir. Yine ara yüzeyde oluşan yapıların analizi TEM ile yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar ile, değişen parametrelerin gümüş nanopartikül oluşumunu engellemediği; ancak partiküllerin boyutlarında ya da morfolojilerinde bir takım değişimlere neden olduğu belirlenmiştir. Aynı zamanda literatürde verilen bilgilerin yardımıyla, ara yüzeyde Aqua molekülleri tarafından Ag⁺ iyonlarının indirgenme reaksiyon mekanizması üzerine yorumlar getirilmiştir.

Abstract:
In addition to the nanostructures which are formed in solution by amphiphilic molecules such as lipids and peptides, it is known that self-aggregated nanotubes and nanostructures whose morphologies are helically shaped or plate can be obtained also in the air-water interface. According to the functions of self assembled nanostructures which are formed in both solution and interface, these nanostructures have usage in many fields such as microelectronics, sensor and biomedical applications. At the same time, due to the functional groups of amphiphilic molecules and environmental conditions it is also known metal cations which are in the subphase can be reduce at the air-water interface by these molecules. Within this study, we aimed to investigate the behaviour of Aqua molecule which is synthesized by our group at the air-water interface with different subphase conditions. In this part of the study, synthesis of Aqua molecules was carried primarily by the synthesis procedure that was determined with the previous studies. Then a certain amount of chloroform solution of Aqua was spread on the  Ag2SO4 and Li2SO4 subphases whose concentration was 1 mM and pH values were 9-7-3 and water at pH values again 9-7-3, and compression isotherms were obtained at Langmuir Trough. In addition, analyses of the morphologies of organic nanostructures were aimed which were formed by the self assembly process of pH sensitive Aqua molecules on the subphases that were prepared with different salts and at different pH values and at various surface pressures. In this context, a certain amount of chloroform solution of Aqua was spread on the  Ag2SO4 and Li2SO4 subphases whose concentration was 1 mM and pH values were 9-7-3 and water at pH values again 9-7-3 and the interfaces were compressed to the surface pressures 0, 5 and 10 mN/m at Langmuir Trough. Then Aqua assemblies which were formed at these surface pressures, 
were transferred onto solid surfaces by using Blodgett technique and morphologies of assemblies were examined by AFM.
In another study, to form denser assemblies at the air-water interface, the amount of Aqua which was spread on the air-water interface was increased and we aimed to investigate the effect of the concentrations of  Ag2SO4 and Li2SO4 on the morphologies of assemblies of the Aqua. In this respect, Aqua molecules were spread onto subphases which were prepared with Ag2SO4 ve Li2SO4  at the concentrations of 1 and 10 mM at pH 7 and after the compression of molecules at the interface until reaching the minimum interface area, the assemblies were transferred onto solid surfaces by using Blodgett technique and morphology analyses of assemblies were made with SEM. As intermediates during the formation of the tubular structures, helical ribbon nanostructures were obtained by Aqua molecules on the subphases which had low concentration and they were found to be in the micron size. At the same time, for the Ag2SO4 subphase system, the experiment was carried out at high pH so the effect of pH on the assemblies was investigated. When the pH was increased it was determined that Aqua molecules formed sheet like structures rather than helix ribbon-shape structures at the air-water interface.
In another part of the study, Ag⁺ ions which were in the subphase, Ag⁺ ions reducing capability of Aqua molecules and to determine the parameters affecting the reduction reaction were aimed. In this section on the Ag2SO4 subphases whose concentrations were 1 and 10 mM and pH values were 11-7-3, 24 and 48 hours reaction times were selected and after the organic and inorganic nanostructures were transferred onto solid surfaces, their analysis were performed by TEM. To assess the effects of interface area on the silver particle morphology after the Aqua molecules were spread on the Ag2SO4 subphases whose concentrations were 1 mM and pH values were 11 and 3, molecules were compressed from 75 Å2 to 30 Å2 per molecule and the experiments were performed during 48 hours. The analysis of the structures which were formed at the air-water interface was made by TEM, again. In the results, it is investigated that varying parameters did not have any effect on formation of silver nanoparticles but they caused some changes on size or morphologies of the particles. At the same time with the help of the information given in the literature, about the mechanism of the reduction reaction of Ag⁺ ions by Aqua molecules at the air-water interface, some comments were made