Geri Dön

A computational study on sensing of explosives

Patlayıcı maddelerin deteksiyonu üzerine hesaplamalı bir çalışma

PDF İndir

  1. Tez No: 847315
  2. Yazar: MEHMET ERDEM SÖZBİR
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ BERKAY SÜTAY
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Kimya, Chemistry
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Kimya Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 93

Özet

İnsanlık dünya sahnesindeki tarihi boyunca hem kendisini hem de çevresindeki doğayı şekillendirmeye çalışmış, bu amaç doğrultusunda da birçok icat geliştirmiş ve teknoloji ortaya koymuştur. Şüphesiz ki gerek kendi iç dinamiklerini askeri, güvenlik, terörizm, uzay yarışı gibi olgularla yönlendirmek, gerekse de madencilik faaliyetleri, yol, baraj, liman yapımı ve benzeri uygarlık projeleriyle doğayı şekillendirmede en büyük desteği son bin yılda patlayıcı maddelerle ve onların mühendislik uygulamalarında bulmuştur. Patlayıcı maddelerin insanlığın içgüdüsel isteklerine bu denli zengin çeşitlilikteki katkı potansiyeli, bu kimyasalların siyasi, askeri, toplumsal, tıbbi birçok farklı başlık altında ele alınmasına, incelenmesine, sınıflandırılmasına ve en nihayetinde tespit ve deteksiyonuna ihtiyaç doğurmuştur. Özellikle patlayıcı madde deteksiyonundaki gelişmelere karşı hissedilen bu ihtiyaç, başında bulunduğumuz ikinci milenyumda, ilk günkü açlığıyla ve ivmelenerek devam etmekte, askeri ve sivil bütün alanlarda yoğun ilgi uyandırmaktadır. Bu çalışmada patlayıcı deteksiyonu çalışmalarında karşılaşılan ve her biri kendine özgü karakteristik zorluklar içeren iki farklı süreç olarak“örnek toplama'' ve ''deteksiyon'' mekanizmaları dikkate alınarak ayrı ayrı irdelenmiştir. İncelememize konu olan ilk süreç örnek toplamadaki zorlukların üstesinden gelmek için alışıla gelmiş deteksiyon süreçlerinden farklı bir yaklaşım içeren, öncelikli olarak mayınlı araziler ve toprak altına gömülü mühimmatlar gibi açık havada patlayıcı madde deteksiyonunu kolaylaştıracak, fakat aynı zamanda insan sirkülasyonunun yoğun olduğu havalimanı, tren ve otobüs terminalleri ve benzeri kapalı alanlarda ve limanlar gibi yarı açık alanlarda patlayıcı deteksiyonuna yeni bir yaklaşım öneren ön- konsantrasyon yöntemidir. Çalışmamızda ön-konsantrasyon tekniğine yer verme motivasyonumuz, açık havada özellikle mayın yahut toprak altına gömülü mühimmatların deteksiyonu çalışmalarında, birincil olarak eğitimi uzun yıllar alan insan ve ikincil olarak'ta hayvanların hayatlarının saha araştırmalarında tehlikeye atılması sebebiyle, tespit süreçlerinin oldukça yavaş ilerlemesi ve hatta zaman zaman hava şartları, coğrafi özellikler, ilgili bölgede çatışmaların tekrar başlaması, bürokratik süreçler gibi diğer değişkenlerin de denkleme dahil olmasıyla adı geçen tetkik çalışmalarının durma noktasına gelmesi ile bu durumun hem insan hem de doğal hayatı tehdit etmesidir. Bu durum bölge için sosyo-psikolojik bir fenomen halini almakta, bölgede turizm, , tarımsal, endüstriyel, transport gibi sosyal, kültürel ve ekonomik çok çeşitli etkileşim alanlarında onarımı uzun yıllar alacak izler bırakmaktadır. Bu amaçla sürdürülen araştırmalarda ana hedef, saha çalışmalarında mümkünse hayvanlarda dahil bütün canlıların fakat en azından insan etkileşiminin olabildiğince minimalize etmek, hatta sıfır kontakt seviyesine getirmektir. Saha çalışmalarında belirtilen durumun yanı sıra, ön-konsantrasyon tekniği kullanılarak kapalı ve yarı kapalı alanlarda terörizm ve güvenlik ihlali temelli olayların yaşanmasına engel olmak amacıyla, çok çeşitli türdeki patlayıcılar için kabul edilmiş ”limit of detection (LoD)“ seviyeleri revize edilebilir ve istenmeyen olayların meydana gelme sıklığı azaltılabilir. Bu doğrultuda, Yoğunluk Fonksiyoneli Kuramıyla (YFT), 10 ayrı patlayıcı molekülü, ''ön-konsantratör”ya da“moleküler magnet'' Aflas polimeri ve fotolüminesans deteksiyon polimeri Super Yellow M06-2X fonksiyoneli ve 6-31G(d,p) baz seti kullanılarak modellenmiştir. Optimize Aflas ön-konsantratör polimeriyle patlayıcıların etkileşim enerjileri hesaplanmış, daha sonra hidrojen bağının nicel bir yorumu için tüm etkileşim enerjisi hesaplamalarında baz seti üst üste binme hatası (BSSE) hesaba katılmıştır. Çalışmanın bu seviyesinde BSSE hesaplarında, karşılaştırma amaçlı iki farklı fonksiyonel (M06-2X & wB97XD) kullanılmış olup, her iki fonksiyonelin etkileşim enerjilerine sıfır nokta enerjisi düzeltmesi de (ZPE) dahil edilmiştir. Deneysel veriler, araştırmamızda elde edilen teorik veriler ile karşılaştırılmış, aynı modelleme stratejisi, çeşitli tür ve kimyasal yapıdaki 10 farklı (aromatik, halkalı, oligomerik, nitro ve nitramin) patlayıcı madde için tekrarlanmıştır. Araştırmamıza konu olan ikinci süreç; patlayıcıların deteksiyonunda yararlanılan Super Yellow polimeri üzerinden, fotolüminesans sönümlenme mekanizmasının incelenmesi ve benzer patlayıcıların tespiti konusunda kullanılan organik polimerlerin arzulanan özelliklerinin irdelenmesidir. Bu doğrultuda, deteksiyon mekanizmasında kullanılan Super Yellow molekülü, Aflas ve patlayıcı molekülleri için gerçekleştirilen optimizasyon sürecinden sonra, monomer seviyesinde optimizasyona tabi tutulmuştur. Yapılan bütün hesaplamalar monomer seviyesinde optimize olarak modellenen Super Yellow polimeri ile gerçekleştirilmiştir. Super Yellow molekülü ile patlayıcıların etkileşim enerjileri hesaplanmış, daha sonra hidrojen bağının nicel bir yorumu için tüm etkileşim enerjisi hesaplamalarında baz seti üst üste binme hatası (BSSE) hesaba katılmıştır. Çalışmanın bu seviyesinde BSSE hesaplarında, karşılaştırma amaçlı iki farklı fonksiyonel (M06-2X & wB97XD) gerekli düzeltmeleriyle beraber kullanılmış olup, her iki fonksiyonelin etkileşim enerjilerine sıfır nokta enerjisi düzeltmesi de (ZPE) dahil edilmiştir. Super Yellow ile patlayıcı moleküllerinin etkileşimine ilişkin 10 farklı SY+Patlayıcı kompleksinin elektronik spektrumları ”Zamana Bağlı Yoğunluk Fonksiyoneli Kuramı (ZB-YTF)" incelenmiştir. En güçlü etkileşimi gösteren komplekslerin absorpsiyon, emisyon ve kızılötesi spektrumları, Zamana Bağlı Yoğunluk Fonksiyoneli kuramı kullanılarak hesaplanmıştır. SY-patlayıcı komplekslerin söndürme mekanizmalarındaki rolü hidrojen bağı, dipol-dipol ve aromatik hidrojen bağı etkileşimi gibi moleküller arası etkileşimler aracılığıyla ve söndürmeye ilişkin hedef- analit UV-VIS spektrumlarının hem pik güçlerindeki azalma hem de spektral örtüşme özellikleri araştırılarak incelenmiştir. Fotolüminesans Super Yellow organik polimerinin tercih edilen yapısal özellikleri (kavitasyon, iç hacim, etkileşim alanı vs) incelenmiş. Bu amaçla molekül hacmi ve moleküler yüzey alanı ve çarpışma çapı hesaplanmıştır. Son olarak, maviye kayan/uyumsuz hidrojen bağı olarak da adlandırılan spektrumda maviye kayma potansiyelinden sorumlu hidrojen bağları Süper Yellow+analit moleküler komplekslerinin IR spektrumlarında tespit edilmiştir.

Özet (Çeviri)

Humanity has tried to shape both itself and the nature around it throughout its history on the world stage, and has developed many inventions and technologies for this purpose. Undoubtedly, in the last thousand years, explosive materials and their engineering projects have been the greatest support both in directing their internal dynamics with facts such as military, security, terrorism, space race, and in shaping nature with mining activities, road, dam, port construction and similar civilization projects found in applications. The potential of explosive substances to contribute to the instinctive desires of humanity in such a rich variety has led to the need for these chemicals to be handled, studied, classified under many different headings, such as political, military, social and medical, and ultimately their detection. This need, especially felt for the developments in explosives detection, continues with the hunger of the first day, even accelerating, in the second millennium you are at the beginning, and arouses intense interest in all military-civilian fields. In our study, two different processes encountered in explosive detection studies, each of which has its own characteristic difficulties, are discussed separately, taking into account the“sample collection”and“detection”mechanisms. The first process that is the subject of our work is to incorporate a different approach to overcome the difficulties in sample collection, it will primarily facilitate the detection of explosives in the open air, such as minefields and buried munitions, but also in semi-open areas such as airports, train and bus terminals and similar closed areas with high human circulation, and in ports. It is the pre-concentration method that proposes a new approach to explosive detection in areas. Our motivation to include the pre-concentration technique in our study is that the detection processes progress slowly and even sometimes other factors such as weather conditions and geographical features are endangered in the field studies, especially in the detection of mines or buried munitions in the open air, due to the fact that the lives of humans and secondarily animals, who have been trained for many years, are endangered in field research. The fact that the mentioned test studies come to a standstill with the inclusion of variables in the equation, this situation threatens both human and natural life. The main goal of the research carried out for this purpose is to minimize or even zero the interaction of all living things, but at least human interaction, as much as possible in field studies. In addition to this, the limit of detection (LoD) levels accepted for a wide variety of explosives can be revised and the frequency of occurrence of undesirable events can be reduced in order to prevent terrorism and security breach-based incidents in closed and semi-closed areas by using the pre-concentration technique. In this direction, 10 different explosive molecules, pre-concentrator/molecular magnet Aflas polymer and photoluminescence detection polymer Super Yellow was modeled with Density Fucntional Theory (DFT) by using M06-2x functional in 6-31G(d,p) basis. The interaction energies of the explosives with the Aflas monomer were calculated in the same level of theory. The basis set superposition error (BSSE) was taken into account in all interaction energy calculations for a quantitative interpretation of the hydrogen bond. In interaction energy calculations, two different functionals (m062x & WB97XD) were used for comparison, together with the zero point energy correction (ZPE). Experimental data were compared with the theoretical results of this study. The same modeling strategy was applied to 10 different explosives of various types (nitroaromatic and nitramine type) and chemical structures. The second step is to examine the photoluminescence quenching mechanism over the Super Yellow molecule used in the detection of explosives and to examine the desired properties of organic polymers used for the detection of a variety of explosives. For this purpose, the geometry of Super Yellow molecule was optimized at monomer level. The interaction energies of the explosives with Super Yellow molecule were calculated. The basis set superposition error (BSSE) was taken into account in all interaction energy calculations for a quantitative interpretation of the hydrogen bond. In interaction energy calculations, two different functionals (m062x & WB97XD) were used for comparison, together with the zero point energy correction (ZPE). 10 different SY + explosive molecular complexes are examined for each explosive molecule. Absorption, emission and the infrared spectra of the complexes displaying the strongest interaction are calculated by using Time-Dependent Density Functional Theory (TD-DFT). The quenching mechanisms of the SY-Explosive complexes was studied by investigating both the decrease in the peak strengths and the spectral overlap characteristics of target-analyte UV-VIS spectra which reveal the relevant quenching via the intermolecular interactions scuh as hydrogen bond, dipole-dipole interaction, π-π or CH/ π interaction etc. The preferred structural properties (cavitation, internal volume, interaction area, pore size, etc.) of the photoluminescent organic polymer Super Yellow was also investigated. The collisional dimater, molecular area and the volume of the molecule was calculated for that purpose. Finally, the presence of potential blue-shifting hydrogen bonds, which are also referred as improper hydrogen bonds, were detected on the Super Yellow + analyte molecular complexes in their IR spectra.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    433907

    Discovery of new dual cation ammine borohydrides: A computational screening study

    Yeni iki metalli amin bor hidrürlerin hesaplamalı tasarımı: Bir hesapsal tarama çalışması

    SAMET DEMİR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Kimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Hesaplamalı Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ADEM TEKİN

  2. Tez No

    571126

    A contributory study on access control and authentication mechanisms for internet of things

    Nesnelerin interneti üzerine giriş kontrol ve kimlik onaylama mekanizmaları üzerine bir çalışma

    MANOLYA ATALAY

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolAkdeniz Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT AK

  3. Tez No

    450925

    Multiscale modeling and study on the exfoliation and electronic properties of functionalized graphene analogs

    Fonksiyonlaştırılmış grafen analoglarının yapraklanması ve elektronik özellikleri üzerine çok ölçekli modelleme

    BERKAY SÜTAY

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Kimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Fizikokimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MİNE YURTSEVER

  4. Tez No

    464946

    Multitemporal co-polar x-band sar data classification as a tool for paddy-rice phenology estimation

    Çeltik tarlası fenoloji kestirimi için çok zamanlı co-polar x-bant sar verisi üzerinde sınıflandırma yöntemi

    ÇAĞLAR KÜÇÜK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Bilişim Uygulamaları Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. GÜLŞEN TAŞKIN KAYA

    YRD. DOÇ. DR. ESRA ERTEN

  5. Tez No

    717024

    Satellite images super resolution using generative adversarial networks

    Uydu görüntülerinde çekişmeli üretici ağ kullanarak süper çözünürlük

    MARYAM SERDAR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    İletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AHMET HAMDİ KAYRAN

Geri Dön