Geri Dön

Electro optical properties of liquid crystal nanocomposites

Sıvı kristal nanokompozitlerin elektro-optiksel özellikleri

PDF İndir

  1. Tez No: 886704
  2. Yazar: MEHMET CAN ÇETİNKAYA
  3. Danışmanlar: PROF. DR. SEVTAP YILDIZ ÖZBEK
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2022
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 88

Özet

Bu tez, çok duvarlı karbon nanotüpler (MWCNT'ler) ile katkılı smektojen oktilsiyanobifenil (8CB) sıvı kristalin elektro-optik ve elastik özellikleri üzerine yapılmış çalışmanın sonuçlarını sunmaktadır. Çalışma, MWCNT katkılamanın smektik sıvı kristal 8CB'nin elektro-optik özellikleri üzerindeki etkisini ortaya çıkarmayı amaçlamaktadır. Nanoparçacık katkılama, sıvı kristallerin özelliklerini geliştirmenin olası kolay yollarından biri olarak araştırmalara konu olmuştur. Nematik sıvı kristallerin katkılanmasına odaklanılan bu çalışmalarda, dielektrik anizotropiyi arttırmanın, eşik voltajlarını düşürmenin ve elektriksel tepki sürelerini azaltmanın mümkün olduğunu gösterilmiştir. Sıvı kristalin özelliklerini iyileştirmek adına gelecek vaat eden nanoparçacıklardan biri karbon nanotüplerdir. Karbon nanotüpler çok yüksek geometrik anizotropiye sahip egzotik malzemelerdir. Temel olarak, silindir şeklinde sarılmış, bir atom kalınlığında karbon levhaları olarak düşünülebilirler. Nanotüpler birçok eş merkezli silindirden oluşuyorsa, bu nanotüplere çok duvarlı karbon nanotüpler denir. Şekil anizotropilerinden dolayı, anizotropik mekanik ve elektronik nitelikler de sergilerler. Karbon nanotüleri sıvı kristalleri katkılamakta kullanılmasının ana nedeni ve çalışmak için özellikle ilgi çekici yapan şey, geometrileri ile sıvı kristalik düzen arasındaki paralelliktir. Karbon nanotüplerin sıvı kristalik dağınımlar ürettiği bilinmektedir. Aynı zamanda sıvı kristalik bir ortama katkılandıklarında, anizotropik niteliklerinin hali hazırda anizotropik olan sıvı kristal ortama aktararak bu ortamın özelliklerinin anizotropisini arttırmaları beklenmektedir. Bu tez çalışmasında dört farklı karbon nanotüp - sıvı kristal nanokompozit numune konu edilmiştir: Olduğu gibi kullanılan, ağırlıkça \% 0.007 ve \% 0.07 konsantrasyonlarında MWCNT katkılı 8CB ve yüzeyleri -COOH işlevselleştirilmiş, aynı iki konstrasyonu oluşturacak ağırlıkta MWCNT'ler ile katkılanmış 8CB nanokompozitler. Dolayısıyla bu tezin kapsamı, yüksek ve düşük konsantrasyonda, işlevselleştirilmiş ve işlevselleştirilmemiş MWCNT katkılamanın 8CB sıvı kristal konağın dielektrik anizotropisi, eşik voltajı, çift kırılma ve Freédericksz geçişindeki tepki süresi üzerindeki etkilerini araştırmaktır. Bahsedilen özelliklerin her biri sıcaklık ve örnek hücreye uygulanan voltaja karşı ölçülmüştür. MWCNT'lerin katkılanması, çözücüde dağınım (solvent dispersion) yöntemiyle gerçekleştirilir. 8CB ve MWCNT'ler yüksek saflıkta toluen içinde karıştırılır. Karışım, 8CB'nin izotropik sıvı fazda olduğu 43 $^{\circ}$C'ye ısıtılır. Isıtılan karışım önce sonik banyoda titreşim işlemine tabi tutulur, sonra da manyetik karıştırıcı ile karıştırılır. Bu işlemlere toluen buharlaştırılırken devam edillir. Toluen buharlaştıktan sonra kalan 8CB - MWCNT dağınımı, yani nanokompozit olarak adlandırılan kısım, kılcal etki ile sandviç tipi numune hücrelerine doldurulur. Nematik ve smektik A fazlarının ve geçiş sıcaklıklarının varlığını doğrulamak için diferansiyel taramalı kalorimetri ölçümleri ve polarize mikroskopi görüntüleme gerçekleştirilir. Tezde, yukarıda hazırlama yöntemi anlatılan numunelere ait çift kırılmanın, dielektrik anizotropinin, eşik voltajının, voltaj uygulandığındaki ve kaldırıldığındaki tepki sürelerinin sıcaklığa bağlı olarak değişimini gösteren deneysel veriler sunulmaktadır. Çift kırılma verileri, döner analizör yöntemiyle elde edilir. Dielektrik verileri kapasitans ölçümleri ile toplanır. Eşik voltajları ve yanıt süreleri, ilgili numune hücrelerine voltaj uygulaması sırasında çapraz polarizörler aracılığıyla ışık geçirgenliği ölçümleri ile elde edilir. İzotropikten nematiğe ve nematikten smektik A faz geçiş sıcaklıkları çift kırılma ölçümlerinden elde edilir. Numunelerden elde edilen dielektrik anizotropilerden, eşik gerilimlerinden ve gerilim kaldırıldığındaki yanıt sürelerinden işlevselleştirilmiş ve işlevselleştirilmemiş MWCNT dağıtılmış 8CB nanokompozitlerin yayılma elastik sabitleri (splay elastic constant) ve dönel viskoziteleri (rotational viscosity) hesaplanır. Tüm numunelere ait sıcaklığa karşılık çift kırılma verileri incelendiğinde, izotropikten nematiğe ve nematikten smektik A geçişi arasındaki sıcaklık aralığını kapsayan ve nematik aralık olarak adlandırılan sıcaklık aralığının tüm nanokompozit numunelerde büyüdüğü görülür. İşlevselleştirilmemiş MWCNT nanokompozitleri, işlevselleştirilmiş olanlardan daha geniş nematik aralıklara sahiptir. Tüm MWCNT katkılanmış numunelerde dielektrik anizotropinin azaldığı, daha yüksek konsantrasyondakilerin daha düşük dielektrik anizotropiye sahip olduğu gözlemlenmiştir. Saf MWCNT nanokompozitlerde ve ağırlıkça \% 0.07 işlevselleştirilmiş MWCNT katkılanmış nanokompozitte çift kırılma saf 8CB'ye kıyasla düşükken, ağırlıkça \% 0.007 işlevselleştirilmiş nanokompozitin çift kırılması saf 8CB'ninkinden daha yüksektir. Bu bulgular, eldeki MWCNT katkılı numulerde nematik düzenin artmadığını göstermektedir. Yalnız, ağırlıkça \% 0.007 işlevselleştirilmiş MWCNT katkılı nanokompozit istisnası, işlevselleştirilmiş MWCNT'lerin düşük konsantrasyonlarda sıvı kristal ortama daha iyi uyum gösterebilme ihtimalinin mevcut olduğuna işaret etmektedir. İşlevselleştirilmemiş ağırlıkça \% 0.07 numune hariç olmak üzere eşik voltajları artmaktadır. Yayılma elastik sabitlerinin (K$_{11}$) hesaplanması sonucu, nanokompozitlerin esnekliğinin de saf 8CB'den farklı olduğunu görülmektedir. İşlevselleştirilmemiş MWCNT nanokompozitleri, nematik aralıkta daha düşük elastik sabitlere sahipken, işlevselleştirilmiş MWCNT nanokompozitlerin elastik sabitleri daha yüksektir. Ayrıca, işlevselleştirilmiş \% 0.007 nanokompozitin elastik sabiti, işlevselliştirilmiş \% 0.07'nin elastik sabitinden daha yüksek bir oranda artarken, elastik sabitlerin sıcaklığa bağlı değişim eğrilerinin bir sıcaklıkta birbirlerini kesitiği gözlemlenir. Tüm nanokompozitlerde voltaj açık ve voltaj kapalı yanıt süreleri daha yüksektir. İşlevselleştirilmiş ağırlıkça \% 0.007 nanokompozit, en yüksek voltaj açma ve voltaj kapatma yanıt sürelerine sahiptir. Öte yandan, işlevselleştirilmiş ağırlıkça 0.07\%, 8CB'ye en yakın yanıt sürelerine sahiptir. Yanıt sürelerinden ve elastik sabitlerden dönel viskozitenin hesaplanması, sıcaklığa göre dönel viskozite sıcaklığa karşılık değişim hızının, işlevselleştirilmiş ağırlıkça \% 0.007 katkılı nanokompozitte en yüksek olduğunu ve tüm nanokompozit numunelerin dönel viskozitelerinin saf 8CB'den daha yüksek olduğunu ortaya koymaktadır. İşlevselleştirilmemiş numunelerde, dönel viskozitenin sıcaklıkla değişim oranı ağırlıkça \% 0.007 olan numunede daha yüksektir. 0.07 wt.\% ve saf 8CB dönme viskozitesinin sıcaklık bağımlılıkları benzerdir. Aynısı işlevselleştirilmiş ağırlıkça \% 0.07 katkılı nanokompozit için de geçerlidir. Çalışma, işlevselleştirilmiş ve işlevselleştirilmemiş MWCNT'lerle katkılanmış 8CB'nin çeşitli elektro-optik özelliklerinin sıcaklıkla değişimlerini ortaya koymaktadır. Artan tepki süreleri ve eşik voltajlarının eşlik ettiği çift kırılma ve dielektrik anizotropideki düşüşler ile incelenen numunelerde hiçbir elektro-optik iyileştirme gözlenmiştir. Bununla birlikte, işlevselleştirmenin etkisiyle ve optimal konsantrasyonda, seçilen bir elektro-optik özelliği geliştirmek, yani elektriksel anahtarlama için yanıt sürelerini makul bir seviyede tutarken çift kırılmayı iyileştirmek mümkün olabileceği görülmektedir. Çalışmanın sonuçları ayrıca, smektik sıvı kristal - MWCNT nanokompozitleri üzerinde daha fazla sayısal ve deneysel çalışmayı haklı çıkaran işlevselleştirme ve konsantrasyonla ilgili karmaşık bir bağımlılıklar ağına da işaret etmektedir.

Özet (Çeviri)

The thesis presents the results of the study on electro-optical and elastic properties of smectogen octylcyanobiphenyl (8CB) liquid crystal doped with well dispersed multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs). The study aims to uncover the effect of MWCNT doping on electro-optical properties of smectic liquid crystal 8CB. Nanoparticle doping has been investigated as a possible way to enhance the properties of liquid crystals. Such studies focused on doping nematic liquid crystals have shown that it is possible to increase dielectric anisotropy, lower threshold voltages and increase electrical response times. One of the promising nanoparticles is carbon nanotubes. Carbon nanotubes are exotic materials with very high shape anisotropy. They are basically one atom thick carbon sheets rolled into tubes. If the nanotubes are formed from many cocentric tubes they are called multi-walled carbon nanotubes. Due to their shape anisotropy, they also exhibit anisotropic mechanical and electronic qualities. What makes them especially intriguing to study as liquid crystal dopants is their geometry. Carbon nanotubes are known to produce liquid crystalline dispersions, and once they are dispersed in a liquid crystalline medium, they are expected to impart their anisotropic qualities on this already anisotropic media and enhance them. The study is carried out on four different samples: one set dispersed with pristine, used as is, MWCNTs of concentrations 0.007 wt.\% and 0.07 wt.\% (percent by weight), and another set dispersed with -COOH functionalized MWCNTs at same concentrations. So the scope of this thesis is investigating the effects of functionalized and nonfunctionalized MWCNT doping on 8CB liquid crystal host's dielectric anisotropy, threshold voltage, birefringence and response time in Freédericksz transition. Each of said properties were measured against temperature and voltage. The doping of MWCNTs is carried out by solvent dispersion method. The 8CB and MWCNTs are mixed in high purity toluene. The mixture is heated to 43 $^{\circ}$C, where 8CB is in isotropic liquid phase. The mixture is then sonicated and magnetically stirred. Once toluene is evaporated, the remaining 8CB - MWCNT dispersion, or so-called nanocomposite, is filled into sandwich type sample cells by capillary action. Differential scanning calorimetry measurements and polarizing microscopy imaging are also conducted to confirm the existence of nematic and smectic A phases and transition temperatures. Experimental datum for the temperature dependence of birefringence, dielectric anisotropy, threshold voltage, voltage-on and voltage-off response are presented. Birefringence data is obtained by the rotating analyzer method. Dielectric data is collected by capacitance measurements. Threshold voltages and response times are obtained by light transmission measurements through crossed polarizers during voltage application on their respective sample cells. The isotropic to nematic and nematic to smectic A phase transition temperatures are obtained from birefringence measurements. The splay elastic constants and rotational viscosities of functionalized and non-functionalized MWCNT dispersed 8CB nanocomposites are calculated from these dielectric anisotropies, threshold voltages and voltage-off response times. The nematic range, temperature interval between isotropic to nematic and nematic to smectic A transition is extended in all nanocomposite samples. Non-functionalized MWCNT nanocomposites have wider nematic ranges than functionalized ones. It is observed that dielectric anisotropies are lowered in all MWCNT dispersed samples, higher concentrations having lower dielectric anisotropies. While birefringence is lowered in pristine MWCNT nanocomposites and functionalized MWCNT 0.07 wt.\% nanocomposite, compared to 8CB, functionalized 0.007 wt.\% nanocomposite's birefringence is higher than pure 8CB's. These findings suggest that while nematic order is not enhanced with MWCNT dispersions at hand, but the exception, functionalized 0.007 wt.\%, points to a possibility of better incorporation of MWCNTs in liquid crystalline media by dispersion of functionalized MWCNTs at low concentrations. The threshold voltages, with the exception of non-functionalized 0.07 wt.\%, are increased. Calculation of splay elastic constants (K$_{11}$) shows that elasticity of the nanocomposites also differ from pure 8CB. The non-functionalized MWCNT nanocomposites have lower elastic constants in the nematic range, while funtionalized MWCNT nanocomposites have higher. Also, a crossover of elastic constants is observed, with respect to temperature, as f0.007 wt.\% nanocomposite's elastic constant increases at an higher rate than f0.07 wt.\%'s elastic constant. Voltage-on and voltage-off response times are higher in all nanocomposites. Functionalized 0.007 wt.\% nanocomposite has the highest voltage-on and voltage-off response times. On the other hand, functionalized 0.07wt.\% has the closest response times to 8CB. The calculation of rotational viscosity from response times and elastic constants reveal that rate of change of rotational viscosity with respect to temperature is highest in funtionalized 0.007 wt.\% nanocomposite and rotational viscosities of all nanocomposite samples are higher than pure 8CB. With non-functionalized samples, rate of change of rotational viscosity is higher with 0.007 wt.\%. Temperature dependencies of rotational viscosity of 0.07 wt.\% and pure 8CB are similar. The same is true for functionalized 0.07 wt.\%. The study reveals the temperature dependence of various electro-optical properties of 8CB dispersed with functionalized and non-functionalized MWCNTs. With drops in birefringence and dielectric anisotropy, accompanied by increasing response times and threshold voltages, no electro-optical enhancement is observed in studied samples. However, with effect of functionalization and at optimal concentration, it would be possible to enhance a selected electro-optical property, i.e. improving birefringence while keeping response times at a reasonable level for electrical switching. The results of the study also hint at a complex web of dependencies related to functionalization and concentration, which justifies further numerical and experimental studies on smectic liquid crystal - MWCNT nanocomposites.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    887298

    Yeni kiral çubuksu sıvı kristallerin grafen oksit katkılıkompozitleri

    New graphene oxide doped composites of chiral rod-like liquid crystals

    ŞEVVAL ÖZTEKİN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    KimyaYıldız Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HALE OCAK GÜMRÜKÇÜ

  2. Tez No

    681894

    ZnO nanopartikül katkılı yeni kalamitik sıvı kristallerin sentezi ve mesomorfik incelemeleri

    Synthesis and mesomorphic investigation of new calamitic liquid crystals doped with ZnO nanoparticles

    YAĞMUR BİNGÖL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    KimyaYıldız Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HALE OCAK

    DOÇ. DR. HATİCE HANDE MERT

  3. Tez No

    445022

    Bakır/gümüş/çinko oksit (CuAg/ZnO) partiküllerinin ultrasonik sprey piroliz yöntemiyle üretimi

    Production of CuAg/ZnO nanocomposite particles by ultrasonic sprey pyrolysis

    TOLGA ÇAKMAK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SEBAHATTİN GÜRMEN

  4. Tez No

    637550

    Yeni nesil nanohibrit malzemelerin antibakteriyel aktivitelerinin incelenmesi

    Investigation of antibacterial activities of newgeneration nanohybrid materials

    İLKNUR AKSOY

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    BiyoteknolojiSelçuk Üniversitesi

    Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İMREN HATAY PATIR

  5. Tez No

    683952

    Synthesis and properties of poly(ethylene oxide) based nanocomposite electrolytes consisting of nano-sized Mg-BDC metal organic framework

    Nano-boyutlu Mg-BDC metal organik kafes yapı içeren poli(etilen oksit) nanokompozit elektrolitlerin sentezi ve özellikleri

    AYŞE ERCİYES

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Metalurji MühendisliğiOndokuz Mayıs Üniversitesi

    Nanobilim ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MÜBERRA ANDAÇ

Geri Dön