Hafızalandırılmış polimerik jellerin spektroskopik ve elektriksel özelliklerinin incelenmesi
Spectroscopic and electrical properties of imprinted polimeric gels
Yazar: ESRA ALVEROĞLU DURUCU
Danışman: PROF. DR. YAŞAR YILMAZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2010
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Diyodlar = Diodes ; Katkılama yöntemleri = Doping method ; Morfolojik incelemeler = Morphological inverstigations ; Polimer jel = Polymer gel ; p-n eklemler = p-n junctions ; İletken polimerler = Conducting polymers

Özet:
Jeller teknolojik olarak oldukça fazla çalışma alanı olan malzemelerdir. Özellikle elektriksel olarak iletken olan polimerlerin keşfinden sonra elektronik devrelerde bu tür malzemeler sıkça kullanılmaktadır. Son zamanlarda gelişen nanoelektronik araçların yapımındada polimerik jeller kullanılmaya başlamıştır.Jeller aynı zamanda hafızalandırılabilen materyallerdir. Bir yapının başka bir molekülü çeşitli fiziksel etkileşmelerle tanıması ve başka ortamlardan seçerek tutabilmesi olayı hafızalandırma olarak adlandırılır. Doğada proteinlerin bu şekilde seçici olmaları mekanizmasına göre işleyen pek çok canlı yapı bulunmaktadır. Bu canlı yapılarda işleyen mekanizmaya benzer şekilde jellerde de bu tip hafızalandırma işlemi yapılabilmektedir.Poliakrilamit (PAAm) ve N-izopropilakrilamit (NIPA) jelleri doğal hallerinde elektriksel olarak yalıtkan olan malzemelerdir. Çevre gruplarında iyonları olan moleküller bu jellere polimerleşme esnasında bağlandıkları zaman, jellerin şişmiş hallerinde, iyonik gruplar fiziksel olarak bağlı bulundukları moleküllerden ayrılarak hareketli hale geçebilmektedir. Bu tür iyonlar karşı iyon olarak bilinmektedir. Karşı iyonların jel içindeki bu tür hareketi ile elektriksel iletkenlik sağlanmaktadır. Bu tez kapsamında PAAm ve NİPA jelleri karşı iyonu olan moleküllerle katkılandırılarak iletken hale getirilmiştir. Bu yöntem ile p-tipi ve n-tipi polimerik jeller sentezlenmiştir.Jellerin iç yapısı jelleşme reaksiyonu boyunca katkılanan moleküllerin etkilerine göre değişmektedir. Bu tez boyunca katkılanan moleküller spektroskopik ve elektriksel yöntemlerle takip edilmiş ve bu moleküllerin jelin yapısında oluşturdukları değişiklikler tespit edilmiştir. Bu değişikliklerin spektroskopik ve elektriksel açıdan yarattığı değişiklikler gözlemlenerek jellerin morfolojisi çeşitli yöntemlerle belirlenmiştir.İlk olarak jelleşme süreci boyunca fraktal boyut ve kritik üsler floresans ölçümleri ile tam zamanlı olarak hesaplanmıştır. İkinci olarak iyonik gruplarla katkılanan jellerin yapısı şişme deneyleri ile de belirlenmeye çalışılmıştır. Bu deneyler sırasında çok fazla şişen bir jel elde edilmiştir. Bu jelin çok şişmesinin nedeni jelin iç yapısında oluşan homojenlikten kaynaklandığı düşünülmekterdir. Üçüncü olarak DC elektriksel ölçüm yöntemi ile jellerin iç yapısının belirlenebileceği üzerine bir model oluşturulmuş ve bu model deneysel olarak doğrulanmıştır. Son olarak katkılandırılmış ve saf jellerin iç yapısını karşılaştırmak için ışık saçılması deneyleri yapılmış ve bu deneyler ile de jellerin iç yapısındaki heterojenlik birbiri ile karşılaştırılmıştır. Bu yöntemlerin hepsi birbiri ile uyumlu çıkmış ve jellerin iç yapısı hakkında bilgiler edinilmiştir.Hafızalandırılmış jeller bu tez çalışmasının bir bölümünü oluşturmaktadır. Çalışmanın bu kısmında hafızalandırılmış ve rastgele olarak hazırlanan jeller sentezlenmiştir. Hafızalandırılmış jel sentezi için birbiri ile fiziksel etkileşimde olan iki molekül jelleşme reaksiyonundan önce kompleks oluşturularak çözeltiye eklenmiştir. Rastgele jel hazırlanırken ise aynı moleküller kompleks oluşturmadan çözeltiye eklenmişlerdir. Bu tip yapılar literatürde genellikle mikrotüplerde sentezlenmektedir. Literatürden farklı olarak bu çalışmada bu tip jeller daha geniş çaplı silindirik kaplarda sentezlenmiştir. Hafızalandırma işleminin gerçekleşip gerçekleşmediği spektroskopik, elektriksel ve şişme deneyleri ile tespit edilmeye çalışılmıştır. Hafızalandırılma işleminin elektriksel yöntemlerle test edilmesi ilk defa bu çalışmada denenen bir yöntemdir. Çalışmanın sonucunda hafızalandırma işleminin başarılı olduğu bulunmuştur.Tezin son bölümünü p ve n tipi polimerik jellerden oluşturulmuş pn eklem modelleri ve çalışmaları oluşturmaktadır. Bu eklemlerin elektrik akımını oldukça iyi şekilde düzelttikleri gösterilmiştir. Bu eklemlerin katkı konsantrasyonu, eşik potansiyeli gibi özelliklerinin geleneksel eklemlere göre daha kolay değiştirilebileceği bulunmuştur.Sonuç olarak bu çalışmada literatürde çok az sayıda benzeri çalışma olan fakat teknik ve sentez yöntemi olarak tamamen farklı bir süreç takip edilerek pn polimer eklemleri üretilmiştir. Çalışmanın kendi alanında bir ilk olması dolayısıyla, incelenecek ve araştırılacak parametre ve etkilerin çok olması doğal bir sonuçtur. Bir doktora çalışması süresince bütün bu etkilerin etraflıca incelenerek sonuçlandırılması ve standartize edilmesi mümkün olmamıştır. Ancak elde edilen pn eklemlerinin ne tür parametrelere bağlı olarak farklı özellikler sergileyeceği ayrıntılı olarak araştırılmıştır. Bu eklemlerin standartize edilerek kullanıma sunulması için daha uzun soluklu çalışmalara ihtiyaç duyulacağı anlaşılmaktadır.

Abstract:
Gels are materials which have wide working range in technology. Specially, after the invention of the electrically conductive polymers, these kinds of materials are mosly used in electronic circuits. Novadays, polymeric gels are started to use on improved nanoelectronic devices.Gels are also imprintable materials. Imprintable can be defined as; to recognize of a structure to the other molecule via different physical ways and selects and hold this molecule among others. In the nature, several living organizims being with the help of imprinting mechanism of protein molecules. Like as this mechanism in living organisms, gels could be imprinted.Polyacrylamide (PAAm) and N-isopropylacrylamide (NIPA) gels are inherently insulator materials. Some molecules, having ionic side groups, can bind to the polymer strands during the polymerization. These ionic groups can release from the molecules and become mobile when the gels are swollen. These ions known as counter ion. Electrical conductivity occurs via movement of these counter ions. In concept of this thesis, PAAm and NIPA gels become conductive by doping of counter ion contains molecules. p-type, having positive counter ions, and n-type, having negative counter ions, polymeric gels are synthesized by this way.Inner structure (morphology) of gels could be changed by the doping molecule effects during gellation process. During this thesis, doping molecules followed by spectroscopic and electrical methods and changing of morphology of gels are determined.Firstly, steady-state fluorescence measurements were used for real time measurements of the fractal dimention and critical exponents simultaneously during the gellation process. Secondly, structure of the gels, which are dopped with ionic groups, was defined by the swelling experiments. During these experiments, a gel, which has superabsorbing swelling kinetics, was synthesized. It is thought that huge swelling of this gel results from the homogeneity of inner structure. Thirdly, a model developed for defining the inner structure of gels with the DC electrical measurement methods, and this model was proved with experimentally. Finally, to compare inner structure of dopped and pure gels, light scattering experiments were performed and inner structure heterogeneity of gels was compared. Outputs of all these methods are compatible with each other, and give informations about inner structures of gels.One part of this thesis consists of imprinted gels. In this section of study imprinted and randomly prepared gels are synthesized. Two molecules, which are physically interactive with each other, used to produce a complex and this complex was added to the pregel solution for synthesizing the imprinted gel. For sythhesizing random gel, same molecules were added the pregel solution without complex structure. This kinds of structures are generally synthesized in micro tubes in literature. In differently from literature, in this study gels are synthesed in biger diametered cylindrical containers. By using spectroscopic, electrical and swelling experiments, it was tried to find whether gels are imprinted or not. This is the first time in the literature, to find gels are whether imprinted or not, by using electrical method. At the end of study it is shown that imprinting process successfully completed.In the last part of thesis, the design and experiment of pn junctions between these p-and n-type polymeric gels are described in detail. It is demonstrated that the junction rectifies the electric current fairly well. Some of its characteristics like doping concentration, threshold voltage and etc. can be changed easily, contrary to the traditional ones.As a result of this study, there are few similar studies in the literature but as a method of synthesis techniques and a procedure is followed for producing the polymer pn junctions completely different way from the literature. Therefore be a first in its field of study, it is a natural result that there are too many parameters and effect to examine. In a period of doctoral study, examining in detail all these effects have not been able to finalize and standardized. But all constructed pn junctions? parameters were investigated in detail. It is understood that for standartization and avalibility of these junction, more long-term studies are needed.