Spiropran içeren malzemelerin hazırlanması ve ışık duyarlılığı, fotokromik ve mekanokromik özelliklerinin belirlenmesi
Preparation of spiropran containing materials and determination of light sensitivity, photochromic and mechanochromic properties
Yazar: ESMA MUTLUTÜRK
Danışman: PROF. DR. TUNCER ÇAYKARA
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Bu çalışmada önce 2-(3',3'-Dimetill-6-nitrospiro [kromen-2,2'-indol]-1'(3'H)-yl)etanol  (spiropran, SP) molekülü kullanılarak metakrilatlanmış spiropran (mSP) monomeri ve dimetakrilat spiropran çapraz bağlayıcı (dimSP) sentezlendi. Daha sonra mSP monomeri kullanılarak silisyum disk, silisyum mikroparçacık yüzeyinde poli(metakrilatlanmış spiropran)[poli(mSP)] fırçalar, dimSP çapraz bağlayıcı ve hidroksi etil metakrilat monomeri kullanılarak poli(2-hidroksi etil metakrilat) [poli(HEMA)] jeli hazırlandı. poli(mSP)  fırçalar silisyum disk yüzeyinde arayüz aracılı RAFT polimerleşmesiyle sentezlendi. Bu fırçaların aşılanma yoğunluğu σ=0,56 zincir nm-2 ve aşılanmış zincirler arası uzaklık D= 1,52 nm olarak bulundu. Atomik kuvvet mikroskobu ile yüzeyin oldukça homojen olduğu ve rms (root-mean-square) değerinin yaklaşık 2,66 nm olduğu görüldü. Poli(mSP) formu ultraviyole (UV) ışını kullanılarak merosiyanin (MC) izomerine [poli(mMC)] dönüştürüldü. Bu süreç görünür ışık (GB) kullanılarak tekrar Poli(mSP) izomerine çevrildi. Bu izomerizasyonlar su temas açısı ölçümleriyle takip edildi. Bu izomerlerin çeşitli sıvılarla ölçülen temas açısı verileri Van Oss – Good eşitliğinde kullanılarak yüzey enerji bileşenleri hesaplandı. Buna göre poli(mSP) ve poli(mMC) izomerler için elektron alıcı ("γ" _"K" ^"+" ) ve elektron verici ("γ" _"K" ^"-" ) yüzey serbest enerji bileşenleri "γ" _"K" ^"+"  "=0,47 mJ " "m" ^"-2" ,  "γ" _"K" ^"-"  "=1,15 mJ " "m" ^"-2"  ve "γ" _"K" ^"+"  "=0,85 mJ " "m" ^"-2" ,  "γ" _"K" ^"-"  "=10,25 mJ " "m" ^"-2"  olarak belirlendi. Bu değerlerden poli(mSP) izomerinin düşük bazik karaktere sahip olduğunu, buna karşın poli(mMC) izomerinin yüksek bazik karaktere sahip olduğun bulundu. Fotokromik hibrid poli(mSP) fırçalar silika mikroparçacık yüzeyinde arayüz aracılı RAFT polimerleşmesi ile sentezlendi. Bu fotokromik hibrid fırçaların yapısal karakterizasyonu GA-FTIR spektroskopisiyle, yüzey morfolojisi Taramalı Elektron Mikroskopuyla (SEM) ile gerçekleştirildi. Dimetilformamid (DMF) içinde dağıtılan fotokromik hibrid mikroparçacıkların renksiz poli(mSP) izomerinin UV ışınıyla mor renkli poli(mMC) izomerine dönüşümü için optimum ışınlama süresi 7 dk, GB ışınlamayla tekrar poli(mSP) izomerine dönüşümü için ise optimum ışınlama süresi ise 9 dk olarak belirlendi. Son olarak dimSP çapraz bağlayıcı kullanılarak mekanokromik poli(HEMA) jel hazırlandı. Mekanokromik hali mekanik germe-çekme ölçümleri ve DMF içinde şişme testi ile belirlendi. Bu testlerde SP izomerinden kaynaklı sarı renkli poli(HEMA) jeli çekme veya şişme ile MC izomerine dönüşümü sebebiyle beyaz renkli olarak görüldü.

Abstract:
In this study, methacrylated spiropyran (mSP) monomer and dimethacrylated spiropyran crosslinker (dimSP) were synthesized using 2-(3',3'-Dimethyl-6-nitrospiro [chromene-2,2'-indole]-1' (3'H) -yl) ethanol (spiropyran, SP) molecule. Then, poly(methacrylated spiropyran) [poly(mSP)] brushes on silicon disc and on silicon microparticle surfaces using mSP monomer, and poly(2-hydroxy ethyl methacrylate) [poly (HEMA)] gels using dimSP crosslinker were prepared. Poly(mSP) brushes were synthesized by interface-mediated RAFT polymerization on a silicon disc surface. The grafting density (σ, chain nm-2) and distance between grafting points (D, nm) of these brushes were found as σ=0,56 chain nm-2 and D=1,52 nm, respectively. It was observed that the surface was quite homogeneous and the rms (root-mean-square) value was about 2.66 nm, using atomic force microscope. The poly(mSP) form was transformed into the merocyanine (MC) isomer [poly(mMC)] using ultraviolet (UV) light. This process was converted back into the poly(mSP) isomer using visible light (Vis). These isomerizations were followed by water contact angle measurements. Surface energy components of these isomers were calculated using the contact angle data measured with various liquids in the Van Oss - Good equation. The electron acceptor and electron donor surface free energies of SP and MC form of P(MMASP) brushes were found as γs + =0,47 mJ m-2 , γs - =1,15 mJ m-2 and γs + =0,85 mJ m-2 , γs - =10,25 mJ m-2 , respectively. It is concluded that MC form of P(MMA-SP) brushes possess high base character; whereas, SP forms have low base character. Photochromic hybrid poly(mSP) brushes were synthesized by interface-mediated RAFT polymerization on silicon microparticle surface. Structural characterization and surface morphology of these photochromic hybrid brushes were performed by GA-FTIR spectroscopy and Scanning Electron Microscopy (SEM), respectively. The colorless poly(mSP) isomer of the photochromic hybrid microparticles suspended in dimethylformamide (DMF) was transformed into the merocyanine (MC) isomer [poly(mMC)] by UV light at 7 min, and it was converted back into the poly(mSP) isomer by Vis light  at 9 min. Finally, mechanochromic poly(HEMA) gel was prepared using dimSP crosslinker. Its mechanochromic state was determined by mechanical stress-strain mesauments and swelling test in DMF. In these tests, the yellow poly(HEMA) gel resulting from the SP isomer was appeared as white coloured due to the transformation into the MC isomer formed during swelling or elongation.