Synthesis of amphiphilic carbon quantum dots through carbonization of supramolecules
Supramoleküllerin karbonizasyonu ile amfifilik karbon kuantum noktalarının sentezi
- Tez No: 673280
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ CANER ÜNLÜ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilim ve Teknoloji, Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 65
Özet
Kuantum noktalar yapay atomlar olarak da bilinen sıfır boyutlu nanopartiküllerdir. Sıfır boyutlu nanopartikül olarak adlandırılmalarının sebebi kuantum noktaların x, y ve z ekseninde boyutlarının 100 nanometrenin altında olmasından kaynaklanır. İlk kez 1980 yılında Alexey I. Ekimov tarafından bulunmuşlardır. Ekimov çalışmasında eriyik cam matriks içerisinde bakır klorür nanokristalleri sentezlemiştir. Takip eden yıllarda Alexander Efros nanokristaller hakkında ilk teorik açıklamayı yazmıştır ve açıklamasında nanokristallerin elektronlarını hapsederek nasıl fluoresans davranış sergilediklerini göstermiştir. Louis Brus ise, Bell Laboratuvarları'nda çalışırken, kadmiyum sülfür kullanarak ilk kez kolloidal kuantum noktaları elde etmiştir. Yapılan bu çalışmalar kuantum nokta araştırmalarının temellerini oluşturur. Bu üç bilim insanına kuantum noktalarını keşfettikleri için 2006 yılında Optical Society of America tarafından R.W. Wood ödülü verilmiştir. Kuantum noktaların çalışma prensibi şu şekildedir; normalde sıfır boyutlu nanopartiküllerin elektronları değerlik bandında stabil halde durur. Dışarıdan enerji uygulandığında eğer uygulanan enerjinin değeri bant boşluğunun enerji değerinden yüksekse elektronlar iletim bandına geçerler. İletim bandındaki yüksek enerjili elektronlar kararsız haldedir. Kararlı hale tekrar geçmek için değerlik bandına dönmek isterler. Ancak bulundukları iletim bandının enerji değeri değerlik bandının enerji değerinden fazla olduğundan sahip oldukları yüksek enerjiyi vermek zorundadırlar. Elektronlar sahip oldukları bu enerjiyi değerlik bandına geçerken elektromanyetik dalga olarak yayarlar. Yayılan bu elektromanyetik dalgalar farklı emisyon renkleri olarak gözlemlenir. Kuantum noktaların gösterdikleri eşsiz fluoresans özelliklerinin ardında kuantum hapsi etkisi olarak bilinen fiziki bir açıklama vardır. Kuantum hapsi etkisi şu şekilde açıklanabilir; Boyutların x, y ve z ekseninde 100 nanometrenin altına inmesi nanopartiküllerin elektronlarının hapsolmasına neden olur. Bu durum enerji bant yapılarını değiştirir. Yığın malzemelerde devamlı halde bulunan enerji bant yapıları kuantum noktalarda ayrık hale gelir. Ayrık halde, elektronlar değerlik ve iletim bantlarında belirli enerji seviyelerinde bulunurlar. Boyutsal küçülme aynı zamanda bant boşluğu değerlerini değiştirir. Büyük kuantum noktaların (5-6 nm boyutlu) bant boşluğu küçük kuantum noktaların (2-3 nm boyutlu) bant boşluğuna göre daha dardır. Bu yüzden 5-6 nm boyutlu kuantum noktaları uyarmak için gereken enerji daha azdır. Uyarılma sonucunda düşük frekansa sahip emisyon renkleri yayarlar. Diğer yandan, 2-3 nm boyutlu kuantum noktaların uyarılması için gereken enerji yüksektir ve uyarıldıklarında yüksek frekansa sahip emisyon renkleri yaydıkları gözlemlenir. Kuantum noktalar keşfedildikleri tarihten itibaren özellikle sergiledikleri fluoresans özellikleri ile bilim insanları ve araştırmacıların ilgi odağı olmuştur. Bunun sonucu olarak günümüzde kuantum nokta teknolojisi farklı bilim dallarından birçok bilim insanının üzerinde çalıştığı son teknoloji bir araştırma alanı haline gelmiştir. Tıp alanında ilaç taşınımı ve kanser tedavisinde kullanılabilirlikleri üzerine yapılan araştırmalar büyük bir ilgi ile devam ederken, elektronik alanında kuantum noktalar özellikle görüntüleme sistemlerinde çığır açıcı bir yeniliğe sebep olmuşlardır. Kuantum noktalar ayrıca görüntüleme sistemleri ile sınırlı kalmayıp kuantum hesaplama üzerine yapılan çalışmalarda umut vade edici nanopartikül olarak anılmaktadırlar. Bir diğer önemli çalışma alanı ise son yıllarda gittikçe artan bir öneme sahip olan yeşil teknolojidir. İçme sularının ağır metallerden arındırılması, sürdürülebilir enerji alanında güneş panellerinde kullanılarak verim artışının sağlanması gibi kuantum noktaların önemli avantajları vardır. Uzun yıllar boyunca kuantum noktaların sentezinde kadmiyum, civa ve kurşun gibi ağır metaller kullanılmıştır. Parlak fotoluminesans ve yüksek fotostabilite gibi özellikler göstermelerine karşın metalik bazlı kuantum noktaların çevreye ve insan sağlığına olumsuz etkileri bulunmaktadır. Karbon bazlı kuantum noktaların metal bazlı kuantum noktalara göre fluoresans özellikleri bir adım geride kalsa da çevreci olmaları ve insan sağlığına herhangi bir olumsuz yan etkilerinin gözlemlenmemesi kuantum nokta teknolojisindeki araştırmaları karbon bazlı kuantum noktalara yönlendirmiştir. Metalik ve karbon bazlı kuantum noktaların sentezi, nanomalzeme üretme yöntemlerinin kaynağı olan iki temel yaklaşımla yani yukarıdan aşağıya ve aşağıdan yukarıya yaklaşımlarıyla gerçekleştirilir. Metalik bazlı kuantum noktaların sentezinde özellikle aşağıdan yukarıya yaklaşım metodlarından biri olan organometalik sentez yöntemi kullanılmaktadır. Karbon bazlı kuantum nokta sentezinde ise hem yukarıdan aşağıya hem de aşağıdan yukarıya yaklaşımları tercih edilmekle birlikte daha çok aşağıdan yukarıya yaklaşım metodlarından olan hidrotermal-solvotermal sentez ve mikrodalga destekli sentez gibi yöntemler kullanılır. Bu tez kapsamında supramoleküler kimya alanında bilinen bir aile olan calixpyrrole ailesinden Calix[4]pyrrole karbon kaynağı olarak kullanılmıştır. Calix[4]pyrrole, 4 adet pyrrole molekülünün kovalent olmayan moleküllerarası bağlar ile bağlanması sonucu oluşan bir supramoleküldür. Calix[4]pyrrole karbon kuantum noktaların (CP-DOTs) sentezlenmesi aşamasında çalışmada solvotermal sentez yöntemi kullanılmıştır. Ancak literatürden farklı olarak tezde polar çözgen kullanmak yerine apolar çözgen olan toluene kullanılmıştır. Farklı sıcaklık ve sürelerde yapılan sentezler sonucunda optimum değerlerin 200°C 8 saat parametreleri ile sağlandığı bulunmuştur. CP-DOT'ların karakterizasyonu hem optik hem de yapısal olarak yapılmıştır. Optik analizlerde UV-Vis Spektrofotometresi ve Fluoresans Spektrofluorometresi kullanılırken, yapısal analizler için TEM, XPS ve FTIR'den yararlanılmıştır. HRTEM sonuçları, CP-DOT'ların grafitik karbon yapıya sahip olduğu konusunda bir fikir verirken bu hipotez XPS ve FTIR sonuçları ile doğrulanmaktadır. XPS dataları sentez sonrasında Calix[4]pyrrole yapısında bulunan azot atomunun yapıdan uzaklaştığını göstermektedir. CP-DOT'ların yapısı yalnızca karbon atomundan oluşurken teflon içerisindeki havada bulunan oksijen atomlarının yapıya katıldığı da gözlenmektedir. FTIR ölçümleri, CP-DOT'ların yüzeyinde karboksil ve hidroksil grupları bulunduğunu işaret eder. Optik analiz sonuçları yapılan yapısal analiz sonuçları ile uyumludur ve yapısal analiz sonuçlarını desteklemektedir. CP-DOT'ların gözlemlenen absorbans, yayma ve uyarma değerleri tipik karbon kuantum nokta davranışı göstermektedir. Üretilen CP-DOT'ların farklı çözücü ortamındaki davranışları incelenerek amfifilik özellik gösterdikleri gözlemlenmiştir. Amfifilik özellik gösteren CP-DOT'lar farklı uygulama alanlarında kullanılabilirlik sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
Quantum dots are zero-dimensional nanoparticles, also known as artificial atoms. The reason why they are called zero-dimensional nanoparticles is that quantum dots have dimensions of less than 100 nm on the x, y, and z axes. They were first found in 1980 by Alexey I. Ekimov. In the following years, the foundations of quantum dot research were laid with the contributions of Alexander Efros and Louis Brus. Later, these three scientists were awarded R.W. Wood award due to discovering quantum dots. Behind the unique fluorescence properties that quantum dots exhibit is a physical explanation known as the quantum confinement effect. Briefly, the quantum confinement effect is an effect that occurs in consequence of the energy band structures becoming discrete state from the continuous state with changing the dimensions of the materials. As a result, the change in the size of quantum dots causes them to emit light in different colors. Quantum dots have been the focus of attention of scientists and researchers, especially with their fluorescence properties since their discovery. As a result, quantum dot technology has become a state-of-the-art research area that many scientists from different disciplines work on. While research on drug delivery and their usability in cancer treatment continues with a great interest in the field of medicine, quantum dots in the field of electronics have caused a breakthrough innovation, especially in display systems. In addition, they are not limited to display systems also are referred to as promising nanoparticles in studies on quantum computing. Another important field of study is green technology, which has become increasingly important in recent years. Quantum dots have important advantages, such as purifying drinking water from heavy metals and increasing the efficiency of solar panels used in the field of sustainable energy. On the other hand, heavy metals such as cadmium, mercury, and lead have been used in the synthesis of quantum dots for many years. Although they show properties such as bright photoluminescence and high photostability, metal-based quantum dots have negative effects on the environment and human health. Even though the fluorescence properties of carbon-based quantum dots are one step behind compared to metal-based quantum dots, their being environmentally friendly and not observed any negative effects on human health has led research in quantum dot technology to carbon-based quantum dots. The synthesis of both metallic and carbon-based quantum dots is accomplished through two basic approaches, top-down and bottom-up approaches, which are the source of nanomaterial fabrication methods. The organometallic synthesis method, which is one of the bottom-up approach methods, is used in the synthesis of metallic-based quantum dots. In carbon-based quantum dot synthesis, both top-down and bottom-up approaches are preferred, but mostly bottom-up methods such as hydrothermal-solvothermal synthesis and microwave-assisted synthesis are used. In this thesis, Calix[4]pyrrole from the calixpyrrole family, a family known in the field of supramolecular chemistry, was used as a carbon source. Calix[4]pyrrole is a supramolecule formed by the bonding of 4 pyrrole molecules with non-covalent intermolecular bonds. Calix[4]pyrrole carbon quantum dots (CP-DOTs) were synthesized in the study by using the solvothermal synthesis method. However, unlike the literature, instead of using polar solvent, Toluene, which is an apolar solvent, was used in the thesis. As a result of the syntheses made at different temperatures and times, it was found that the optimum values were achieved with 200°C 8 hour parameters. The characterization of CP-DOTs has been done both optically and structurally. While UV-Vis Spectrophotometer and Fluorescence Spectrofluorometer were used in optical analyzes, TEM, XPS and FTIR were used for structural analysis. While HRTEM results give an idea that CP-DOTs have graphitic carbon structure, this hypothesis is confirmed by XPS and FTIR results. XPS data show that the nitrogen atom in the Calix[4]pyrrole structure has moved away from the structure after the synthesis. While the structure of CP-DOTs consists only of carbon atoms, it is also observed that the oxygen atoms which come from the air in the Teflon environment are also added to the structure. FTIR measurements indicate the presence of carboxyl and hydroxyl groups on the surface of CP-DOTs. Optical analysis results are compatible with structural analysis results and support structural analysis results. The observed absorbance, emission, and excitation values of CP-DOTs show typical carbon quantum dot behavior. It was observed that the produced CP-DOTs showed amphiphilic property by examining their behaviors in different solvent environments. CP-DOTs with amphiphilic property offer usability in different application areas.
Benzer Tezler
- Benzofenon türevi Schiff bazı ve bakır komplekslerinin liyotropik sıvı kristallere etkisi
Effect of benzophenone derivative Schiff bases and copper complexes to lyotropic liquid crystals
SEHER MERAL
- Biomedical application of an enzymatically synthesized biopolyester
Enzimatik olarak sentezlenmiş bir biyopoliesterin biyomedikal uygulaması
ŞENOL BEYAZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Biyoteknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FATOŞ YÜKSEL GÜVENİLİR
- Bolaamfifilik triazol bazlı bileşiklerin sentezi ve bazı fiziksel özelliklerinin incelenmesi
Synthesis and the evaluation of some physical properties of bolaamphipilic triazole derivatives
MELİKENUR TÜRK
- Synthesis and surface activity measurement of novel Asp-Gly based amphiphilic surfactants
Yeni Asp-Gly bazlı amfifilik surfaktanların sentezi ve yüzey aktivite ölçümleri
SALİF DİATTA
- Peptide-based bioinspired functional materials
Peptit bazli biyoesinlenilmiş fonksiyonel malzemeler
OYA İLKE ŞENTÜRK
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Biyokimyaİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. AYŞE BEGÜM TEKİNAY
DOÇ. MUSTAFA ÖZGÜR GÜLER
