Sıvı kristallerin çözücülerle etkileşimlerinin kromatografik ve impedimetrik yöntemlerle incelenmesi
Investigation of interactions of liquid crystals with solvents by chromatographic and impedimetric methods
Yazar: BİROL IŞIK
Danışman: PROF. DR. ÖZLEM CANKURTARAN ; PROF. DR. FATİH ÇAKAR
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Fiziksel Kimya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Kimya = Chemistry
Dizin: Amonyak = Ammonia ; Gaz kromatografisi = Gas chromatography ; Sensörler = Sensors ; Sıvı kristaller = Liquid crystals ; İzomerler = Isomers

Özet:
Bu tez çalışmasında, 4-(oktiloksi) benzoik asit (OBA), 4-(noniloksi) benzoik asit (NBA) ve 4-(desiloksi) benzoik asit (DBA) sıvı kristallerinin faz geçiş sıcaklıkları diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) ve ters gaz kromatografi (TGK) yöntemiyle belirlendi. TGK ve DSC analizlerinden bulunan bu sıcaklıklar literatürle kıyaslandı. TGK analizleriyle çözücülerin alıkonma davranışı sonsuz seyreltiklikte incelendi ve alıkonma diyagramları çizildi. Bu diyagramlar kullanılarak yüzey özellikleri (dağıtıcı yüzey enerjisi, adsorpsiyon entalpi ve entropi değerleri, asitlik-bazlık sabitleri, Gibbs serbest enerjisi) ve termodinamik özellikler (Flory-Huggins ve hal denklemi etkileşim parametreleri, etkin değişim enerji parametreleri, ağırlık kesri aktivite katsayıları ve çözünme entalpileri) belirlendi. İzomer ayrılması deneyleri TGK yöntemiyle gerçekleştirildi. Bu amaçla, bütil asetat, bütil alkol ve amil alkol izomer serileri sabit faz üzerinden geçirildi. Alıkonma verileri kullanılarak çizilen alıkonma diyagramlarından ve hesaplanan seçicilik katsayılarından hem yüzey adsorpsiyon bölgesinde hem de termodinamik bölgede izomerlerin ayrılıp ayrılmadığı değerlendirildi.
İkinci kısımda, silan esaslı filmler ve bu filmler üzerinde polistirenle oluşturulan mikro küreciklere sıvı kristal eklenmesiyle sensörler hazırlandı ve çeşitli çözücü, nem ve amonyak gibi bileşiklerin düşük konsantrasyonlarda oldukları ortamlarda algılama özellikleri impedimetrik yöntemle incelendi. Sensörlerin hazırlanmasında sıvı kristal katkılanması için 3-merkaptopropiltrimetoksisilan kullanılarak sol-jel yöntemiyle ince filmler oluşturuldu. Sol-jel hazırlama aşamasında katkılandırılan polistiren mikro kürecikler daha sonra uzaklaştırılarak sıvı kristal katkılanması için gözenekli yapı oluşturuldu. Sıvı kristal esaslı polimer filmlerin karakterizasyonu FT-IR ve SEM ile gerçekleştirildi. Filmlerin direnç ve kapasitans gibi elektriksel özelliklerin incelenmesi için 0,5 V sabit potansiyel farkı ve 100 kHz-10 Hz alternatif akım frekansında empedans spektrumları kaydedildi. İnert ortam ve analit buharları varlığındaki empedans spektrumları Nyquist ve Bode eğrileri yardımıyla değerlendirilerek yük transfer mekanizması aydınlatıldı. Bu sonuçlara göre, sabit frekans altında zamana karşı analit konsantrasyonuna bağlı sensör cevaplarının incelenmesi için en uygun frekans değeri belirlendi. Sıvı kristal esaslı filmlerin belirlenen koşullarda amonyak buharına yüksek seçicilikle cevap verdiği saptandı. Sulu amonyak çözeltilerinde amonyak konsantrasyonuyla kapasitif reaktans (1/-X) değerleri arasında doğrusal ilişki olduğu bulundu.

Abstract:
In this thesis study, phase transition temperatures of 4-(octyloxy) benzoic acid (OBA), 4-(Nonyloxy) benzoic acid (NBA), and 4-(decyloxy) benzoic acid (DBA) liquid crystals were determined by differential scanning calorimetry (DSC) and inverse gas chromatography (IGC) method. These temperatures found from IGC and DSC analyzes were compared with the literature. Retention behavior of the solvents was investigated with IGC analyzes at infinite dilution, and the retention diagrams were drawn. Using these diagrams, surface properties (dispersive surface energy, adsorption enthalpy and entropy values, acidity-basicity constants, Gibbs free energy) and thermodynamic properties (Flory-Huggins and equation of state interaction parameters, effective exchange energy parameters, weight fraction activity coefficients, and dissolution enthalpies) were determined. Isomer separation experiments were performed by IGC method. For this purpose, butyl acetate, butyl alcohol, and amyl alcohol isomer series were passed over the stationary phase. From the retention diagrams drawn using the retention data and the calculated selectivity coefficients, it was evaluated whether the isomers were separated in both the surface adsorption region and the thermodynamic region.  
In the second part, sensors were prepared by adding liquid crystals to silane-based films and microspheres formed with polystyrene on these films, and their sensing properties were investigated by impedimetric method in environments with low concentrations of various solvents, moisture, and ammonia compounds. In the preparation of sensors, thin films were formed by sol-gel method using 3-mercaptopropyltrimethoxysilane for liquid crystal doping. Polystyrene microspheres doped in the sol-gel preparation stage were then removed to from a porous structure for liquid crystal doping. The characterization of liquid crystal-based polymer films was carried out with FT-IR and SEM. To examine the electrical properties of the films such as resistance and capacitance, impedance spectra were recorded at 0.5 V constant potential difference and 100 kHz-10 Hz alternating current frequency. The charge transfer mechanism was elucidated by evaluating the impedance spectra in the presence of inert media and analyte vapors with the help of Nyquist and Bode curves. According to these results, the most appropriate frequency value was determined to examine the sensor responses depending on the analyte concentration versus time under a fixed frequency. It was determined that the liquid crystal-based films responded to ammonia vapor with high selectivity under the specified conditions. A linear relationship was found between ammonia concentration and capacitive reactance (1/-X) values in aqueous ammonia solutions.