Preparation and characterization of carbon quantum dot- based composite thin films
Karbon kuantum nokta esaslı kompozit ince filmlerinin hazırlanması ve karakterizasyonu
- Tez No: 946237
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SEDEN BEYHAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Kimya, Mühendislik Bilimleri, Physics and Physics Engineering, Chemistry, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- 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: 81
Özet
Karbon kuantum noktaları (CQD), sıfır boyutlu, flüoresans 2-10 nm aralığında karbon bazlı nanoparçacıklardır ve kolay sentezlenebilme, yüzey fonksiyonelleştirme, suda çözünürlük, biyouyumluluk, düşük toksisite ve basit sentez yolları gibi avantajlara sahiptir. Sentez yöntemleri arasında hidrotermal, solvotermal ve mikrodalga destekli metotlar yer almakta; hidrotermal işleme tabi tutulan öncül maddelerden elde edilen CQD'ler %60–%80 kuantum verimi sergilemektedir. CQD'ler, biyomedikal görüntüleme, biyosensörler, ilaç taşıma sistemleri, fotoelektrokataliz, optoelektronik ve enerji depolama gibi çok çeşitli uygulamalarda kullanılmaktadır. Özellikle in vivo ve in vitro biyouyumluluk testlerinde düşük toksisite göstermeleri, floresan işaretleyici olarak kanser görüntülemeden dolaşıma sokulan ilaçların takibine kadar çok çeşitli biyomedikal işlevler için uygunluk taşır. Fotolüminesans emisyonları, 350 nm'lik uyarma dalga boyunda 450 nm civarında mavi ışık verecek şekilde optimize edilebilmekte ve böylece yüksek kontrastlı hücresel görüntüleme imkânı sunmaktadır. Kuantum verimleri %80'e kadar çıkabilen CQD'ler, yüzey modifikasyonlarıyla elektronik ve optik özellikleri istenen uygulamaya göre ayarlanabilen çok yönlü nanomalzemelerdir. Özellikle UV–Vis spektroskopisiyle karakterize edilen CQD'ler, 350 nm uyarma ile 450 nm civarında güçlü mavi emisyon verir ve bu özellikleri sayesinde akıllı ambalaj, sahtecilik önleme etiketleri ve biyosensör uygulamalarında da potansiyel taşırlar. CQD'lerin biyosensör uygulamaları, yüzeylerindeki gruplar aracılığıyla iyon, ph ve glikoz gibi analitleri seçici biçimde tayin edebilmeleri üzerine kuruludur. Metal katyonların, anyonların, biyomoleküllerin varlığı, CQD'lerin Fotolüminesans spektrumunda ölçülebilir kaymalar yaratır; bu sayede hem sudaki kirleticilerin izlenmesi hem de hücresel ortamda iyon dengesinin görüntülenmesi mümkündür. Enerji teknolojilerinde, CQD'ler güneş pillerinden süperkapasitörlere kadar çeşitli cihazlarda fotoelektrik dönüşüm ve enerji depolama kapasitesini güçlendirmek için kullanılmaktadır. Karbon kuantum noktaları, boyut ve yüzey kimyasına göre ayarlanabilen bant aralıkları sayesinde boyalı güneş hücrelerinde fotosensitizer olarak yer alır; organik ve perovskit tabanlı hücrelerde güç verimliliğini kayda değer oranda artırdığı gösterilmiştir. Optoelektronik aygıtlarda, CQD esaslı ışık yayan diyotlar (LED) ve floresan boyalar; esnek ekran teknolojileri ve akıllı ambalajlarda kullanılabilecek kompakt, düşük maliyetli aydınlatma çözümleri sunar. Örneğin, karbon kuantum noktalı LED'ler, renk değiştirebilen ve geniş emisyon spektrumu sağlayan cihazlar olarak geliştirilmiştir. Polimer matrislerine entegre edildiklerinde, CQD'ler UV bölgesindeki ışınlarını yaklaşık %70-90 civarında bloke ederek ambalajlama ve kaplama uygulamalarında hem UV koruması sağlar hem de malzemenin ömrünü uzatırlar. Bunun yanı sıra, UV altında parlak mavi flüoresans yayma özellikleri, sahtecilik önleme etiketleri ve akıllı paketleme sensörleri için doğrudan okunabilir sinyaller üretebilirler. Gıda ambalajı ve güvenlik etiketlemede Fotolüminesans özellikleri öne çıkar: CQD'li yüzeyler, UV altında parlak mavi flüoresans yayarak hem raf ömrü izleme sistemlerinde sinyal verici hem de sahtecilik önleme amaçlı güvenlik etiketlerinde okunabilirlik sağlayabilirler. Gıda paketleme alanında, CQD'lerin UV koruyucu, su/neme karşı güçlü bariyer özellikleri, antibakteriyel ve antioksidan aktiviteleri aktif ambalaj stratejilerinde kritik işlevler üstlenmektedir. Mikrobiyolojik bozulmayı önlemeye yönelik olarak CQD'lerin yüzeyine immobilize edilen antimikrobiyal ajanlar, paket içi mikrobiyal üremeyi baskılayarak raf ömrünü uzatır. Bu işlevsellikler, tüketici güvenliği ve ürün kalitesini koruma hedefiyle nanokompozit film teknolojilerinde yaygın olarak araştırılmaktadır. Petrol bazlı plastiklerin yol açtığı çevresel kirlilik ve mikroplastik tehdidi karşısında, biyobozunur polimerler sürdürülebilir ambalaj çözümlerinin odağına oturmuştur. PLA, PHA, PBS, PBAT gibi biyobozunur polimerlerin yanı sıra nişasta bazlı malzemeler de hem ekonomik hem de biyolojik ayrışabilirlik avantajı sunar. Biyobozunur polimerlerde mekanik dayanım, oksijen ve su buharı bariyer performansı, termal stabilite ve maliyet dengesinin sağlanması kritik parametrelerdir. Aktif ve akıllı ambalajlamada antimikrobiyal veya antioksidan katkı maddeleri ve sensör fonksiyonları gıda güvenliği ve raf ömrü yönetiminde giderek önemli hale gelmektedir. Nişasta, bol bulunan ve düşük maliyetli bir polisakkarit olarak biyobozunur film üretiminde öne çıkar. Saf nişasta filmlerinin kırılganlığı ve yüksek su buharı geçirgenliği, gıda uygulamaları için sınırlayıcıdır. Bu zayıf yönleri aşmak adına nişasta matrisine gliserol plastikleştirici ve ZnO, selüloz türevleri veya CQD gibi nano takviyeler eklenerek kompozit filmler geliştirilmiştir. Ultrasonik dispersiyon teknikleriyle homojen dağıtımı sağlanan CQD'li nişasta filmlerinde su buharı geçirgenliği %20–30 oranında düşerken; su temas açısı önemli ölçüde artmıştır. Optik ölçümlerde bu kompozit filmler, görünür bölgede %85 üzerinde şeffaflık korurken UV engelleme kapasitesini %90'ın üzerine çıkarmıştır. Fotolüminesans analizlerinde 350 nm'lik uyarımda ~450 nm civarında güçlü mavi emisyon vererek akıllı paketleme ve sahtecilik önleme uygulamaları için potansiyel sunmuştur. Mekanik testler, CQD eklemesinin çekme dayanımını saf nişasta filmine göre iyileştirmese de kırılma uzamasını artırarak esneklik kazandırmıştır; bu nedenle tek katmanlı pakette yetersiz kalan filmler, çok katmanlı sistemlerde fonksiyonel ara katman olarak önerilmektedir. Bu çalışmada, hidrotermal yöntemle %70 kuantum verimine sahip mavi Fotolüminesans özellikli karbon kuantum noktaları (CQD) sentezlenmiş; ardından bu CQD'ler, optimize edilmiş (%36,4) nişasta–gliserol matrisine %0,1–1 wt % aralığında eklenerek döküm tekniğiyle homojen biyokompozit ince filmler üretilmiştir. Nişasta bazlı temel film (Film C) olarak seçilen formülasyon, hidrasyon ve görsel özellikler açısından en dengeli sonuçları vermiştir. FT-IR analizleri, 925 cm⁻¹ ve 1721 cm⁻¹ dalga sayılarına karşılık gelen bantlardaki yoğunluk azalmasının, CQD'lerin nişasta zincirleriyle hidrojen bağı etkileşimleri oluşturduğuna işaret ettiğini göstermiştir. Fotolüminesans analizlerinde 350 nm'lik uyarma dalga boyunda 445 nm'de güçlü mavi emisyon gözlenmiş, elde edilen kuantum veriminin ise yaklaşık %70 civarında olduğu belirlenmiştir. Bariyer özellikleri bakımından, su buharı geçirgenliği (WVP) ve nem tutma kapasitesi testleri, CQD içeriği arttıkça her iki parametrede de anlamlı düşüşler kaydetmiştir. Örneğin C-CQD-0.5 ve C-CQD-1 örnekleri, saf nişasta filmine (Film C) kıyasla su buharı geçirgenliğinde, sırasıyla, yaklaşık %35-40 ve %55-70 oranında iyileşme göstermiştir. Ayrıca 58 % ve 99 % bağıl nem koşullarında gerçekleştirilen WVS testleri, tüm CQD-takviyeli filmlerin daha düşük nem alımı sergilediğini ortaya koymuştur. Su temas açısı (WCA) ölçümlerinde de ağırlıkça %0,5–1 CQD içeren filmlerde yüzey hidrofobikliğinde kayda değer artışlar elde edilmiş, bu sayede yüzey– su etkileşimi minimize edilmiştir. Mekanik karakterizasyon, çekme dayanımı ve kırılma uzaması parametrelerini kapsayan deneysel ölçümlerle gerçekleştirilmiştir. Çekme dayanımı açısından CQD takviyesi, saf nişasta filmine göre belirgin bir artış sağlamamış; ancak kırılma uzamasında %20–35 aralığında artış tespit edilmiştir. Bu sonuç, CQD'lerin dolgu malzemesi olarak esneklik kazandırdığını, fakat tek katmanlı kullanımda yeterli mukavemeti sağlayamadığını göstermiştir. Bu nedenle, çok katmanlı ambalaj sistemlerinde ara katman olarak değerlendirilmesi önerilmektedir. Optik ölçümler, kompozit filmlerin görünür ışık bölgesinde %85'in üzerinde şeffaflık koruduğunu ve UV–A (315–400 nm), UV–B (280–315 nm) ile UV–C (100–280 nm) ışınları karşısında %70-90'ın oranında UV ışının geçişini engellediğini ortaya koymuştur. Bu sayede, ambalajın hem içerik görünürlüğünü koruması hem de UV kaynaklı fotooksidatif bozulmayı engellemesi mümkün hale gelmiştir. Fotolüminesans performansı ise akıllı ambalaj uygulamalarına doğrudan görsel sinyal sağlayacak düzeydedir. Nem tutma, su solubilitesi ve uzun dönem dayanıklılık testlerinde, özellikle C-CQD- 0.5 formülasyonu öne çıkmıştır. Bu filmde 24 saatlik su solubilitesi %36,6 ± 0,6; 28 gün sonunda ise %30,8 ± 0,8 olarak ölçülmüştür. Aynı parametreler saf film için sırasıyla %42,8 ± 1,6 ve %37,0 ± 2,4 düzeyindedir. Bu sonuçlar, CQD'lerin filmler matrisini daha yoğun hale getirerek su etkileşimini azalttığını ve yapısal bütünlüğü nemli ortamlarda bile koruduğunu göstermiştir. Sonuç olarak, ağırlıkça %0,5–1 CQD içeren C-CQD-0.5 ve C-CQD-1, nişasta–bazlı kompozit biyopolimer filmleri; bariyer, optik ve fotolüminesans performanslarında en dengeli sonuçları sunmuştur. Elde edilen veriler, bu formülasyonların çevreci, biyobozunur ve çok işlevli gıda paketleme malzemeleri geliştirmede güçlü adaylar olduğunu göstermektedir. Gelecekte, antimikrobiyal ve antioksidan katkılarla raf ömrü testlerinin yapılması; endüstriyel ölçekte üretim optimizasyonu ve maliyet– sürdürülebilirlik analizlerinin tamamlanması önerilmektedir. Böylece, petrol bazlı plastiklere alternatif olarak ekolojik ve fonksiyonel gıda ambalajlarının ticarileştirilmesi mümkün olacaktır.
Özet (Çeviri)
Carbon quantum dots (CQDs) are zero-dimensional, carbon-based nanoparticles with fluorescence in the 2–10 nm range, offering advantages such as facile synthesis, surface functionalization, water solubility, biocompatibility, low toxicity, and simple preparation methods. Common synthesis techniques include hydrothermal, solvothermal, and microwave-assisted methods; CQDs produced via hydrothermal treatment of precursor materials exhibit quantum yields of 60–80 %. CQDs find applications across a wide spectrum, including biomedical imaging, biosensors, drug- delivery systems, photoelectrocatalysis, optoelectronics, and energy storage. In particular, their low toxicity in both in vivo and in vitro biocompatibility assays makes them suitable as fluorescent markers for diverse biomedical functions, from cancer imaging to tracking administered drug particles. Their photoluminescence emissions can be tuned to produce strong blue light around 450 nm under 350 nm excitation, enabling high-contrast cellular imaging. With quantum yields reaching up to 80 %, CQDs are versatile nanomaterials whose electronic and optical properties can be tailored for specific applications through surface modifications. Characterized by UV–Vis spectroscopy, CQDs emit intense blue light near 450 nm when excited at 350 nm. These features render them promising for smart packaging, anti-counterfeiting labels, and biosensor applications. In biosensors, CQDs leverage their surface functional groups to selectively detect analytes such as metal ions, pH changes, and glucose. The presence of metal cations, anions, or biomolecules induces measurable shifts in their photoluminescence spectra, enabling both environmental pollutant monitoring in water and visualization of ionic balance in cellular environments. In energy technologies, CQDs enhance photoelectric conversion and energy storage in devices ranging from solar cells to supercapacitors. By adjusting their size and surface chemistry to tune bandgaps, CQDs serve as photosensitizers in dye-sensitized solar cells, significantly boosting power conversion efficiencies in both organic and perovskite systems. In optoelectronic devices, CQD-based light-emitting diodes (LEDs) and fluorescent dyes offer compact, low-cost lighting solutions for flexible display technologies and smart packaging. For example, CQD-LEDs have been developed to deliver tunable colors and broad emission spectra. When integrated into polymer matrices, CQDs block approximately 70–90 % of UV radiation, thereby providing UV protection and extending the lifespan of packaging and coating materials. Additionally, their bright blue fluorescence under UV illumination generates directly readable signals for anti-counterfeiting tags and smart- packaging sensors. In food packaging and security labelling, CQD-functionalized surfaces emit vibrant blue fluorescence under UV light, serving both as shelf-life indicators and as easily readable anti-counterfeiting markers. In the field of food packaging, CQDs play critical roles in active packaging strategies through UV protection, strong moisture-barrier properties, antibacterial activity, and antioxidant functions. Antimicrobial agents immobilized on CQD surfaces inhibit microbial growth within packages, thereby extending product shelf life. These functionalities are widely researched in nanocomposite film technologies to ensure consumer safety and product quality. Facing the environmental pollution and microplastic threats posed by petroleum-based plastics, biodegradable polymers have become the focus of sustainable packaging solutions. Alongside PLA, PHA, PBS, and PBAT, starch-based materials offer cost- effectiveness and biodegradability. Key parameters for biodegradable polymers include mechanical strength, oxygen and water-vapor barrier performance, thermal stability, and cost balance. Active and smart packaging increasingly incorporates antimicrobial or antioxidant additives and sensor functionalities to manage food safety and shelf life. Starch, an abundant and low-cost polysaccharide, is prominent in biodegradable film production. However, pure starch films suffer from brittleness and high water-vapor permeability, which limit their use in food-packaging applications. To overcome these weaknesses, composite films have been developed by incorporating plasticizers such as glycerol and nano-fillers like ZnO, cellulose derivatives, or CQDs into the starch matrix. In CQD-reinforced starch films uniformly dispersed via ultrasonication, water- vapor permeability decreases by 20–30 %, while water-contact angles increase significantly. Optically, these composites maintain over 85 % transparency in the visible region and exceed 90 % UV-blocking capacity. Photoluminescence measurements under 350 nm excitation reveal strong blue emissions around 450 nm, offering the potential for smart packaging and anti-counterfeiting applications. Although CQD additions did not enhance tensile strength compared to pure starch films, they increased elongation at break, improving flexibility. Consequently, these films—insufficient for single-layer packaging—are recommended as functional interlayers in multilayer packaging systems. In this study, blue-fluorescent CQDs with approximately 70 % quantum yield were synthesized via the hydrothermal treatment of a citric acid and ethylenediamine mixture. These CQDs were then incorporated at loadings of 0.1–1 wt % into an optimized (36.4 wt % glycerol) starch–glycerol matrix, producing homogeneous thin biocomposite films via solution casting. The chosen base starch film (Film C) exhibited the most balanced hydration and visual characteristics. FT-IR analyses revealed intensity decreases at 925 cm⁻¹ and 1721 cm⁻¹ bands, indicating hydrogen- bond interactions between CQDs and starch chains. Photoluminescence studies showed strong blue emission at 445 nm with an approximate quantum yield of 70 %. Barrier testing demonstrated that CQD-reinforced films significantly reduced water- vapor permeability and moisture uptake as CQD content increased. For instance, C- CQD-0.5 and C-CQD-1 samples exhibited 35-40% and 55-70% lower water-vapor permeability compared to the pristine starch film, respectively. Water-vapor sorption tests at 58 % and 99 % relative humidity confirmed consistently lower moisture uptake across all CQD-filled films. Water-contact-angle measurements showed marked increases in surface hydrophobicity for films with 0.5–1 wt % CQD, minimizing water–surface interaction. Mechanical characterization, including tensile strength and elongation at break, revealed that CQD addition did not significantly improve tensile strength but increased elongation by 20–35 %, indicating enhanced flexibility. These findings suggest that CQD-reinforced films, while flexible, lack sufficient strength for standalone use and are therefore suited as intermediate layers in multilayer packaging systems. Optical analyses confirmed that the composites maintain over 85 % transparency in the visible range and block 70–90 % of UV-A, UV-B, and UV-C radiation, thus preserving product visibility and preventing photodegradation. The photoluminescence performance provides direct visual cues for smart-packaging applications. In moisture-uptake, solubility, and long-term durability tests, the C-CQD-0.5 formulation stood out: its 24-hour solubility was measured at 36.6 ± 0.6 %, and at 28 days it remained at 30.8 ± 0.8 %, compared to 42.8 ± 1.6 % and 37.0 ± 2.4 % for the pure film. These results indicate that CQDs densify the matrix, reducing water interaction and preserving structural integrity in humid environments. In conclusion, starch–glycerol films containing 0.5–1 wt % CQDs exhibit the most balanced barrier, optical, and photoluminescent performance. The data demonstrate that these formulations are strong candidates for eco-friendly, biodegradable, and multifunctional food packaging materials. Future work should involve shelf-life studies incorporating antimicrobial and antioxidant additives, scaling up production, and conducting cost–sustainability analyses to enable the commercial deployment of ecological and functional food-packaging alternatives to petroleum-based plastics.
Benzer Tezler
- Perovskit güneş hücrelerinde kuantum nanomalzemeler ile katkılama işleminin fotovoltaik parametrelere etkisi
The effect of doping with quantum dot nanomaterials on photovoltaic parameters in perovskite solar cells
AYŞEGÜL TOPRAK
Doktora
Türkçe
2024
Mühendislik BilimleriSelçuk ÜniversitesiNanoteknoloji ve İleri Malzemeler Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA ERSÖZ
DOÇ. DR. PARVANEH MOKARIAN
- Morpholojical, electronic and optical properties of novel nano-scale structures
Nano-boyutlu farklı yapıların morfolojik, elektronik ve optik özellikleri
MERVE ALTAY
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. OĞUZHAN GÜRLÜ
- Implementation of novel carbon-based nanomaterials for high-performance gas sensors
Yüksek performanslı gaz sensörlerinde yenilikçi karbon bazlı nanomalzemelerin uygulanması
MOHAMAD ANAS HEJAZI
Doktora
İngilizce
2024
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LEVENT TRABZON
- Preparation and characterization of graphene samples on atomically smooth surfaces
Atomik boyutta pürüzsüz yüzeylerde grafen örneklerinin hazırlanması ve karakterizasyonu
SERHAT YANIK
Yüksek Lisans
İngilizce
2011
Fizik ve Fizik MühendisliğiFatih ÜniversitesiFizik Bölümü
YRD. DOÇ. DR. MEHMET BURAK YILMAZ
- Yeşil sentezle momordica charantıa'ten karbon kuantum noktaların eldesi, kitosan destekli heterojen gümüş katalizör hazırlanması ve nitroaromatik bileşiklerin indirgenmesinde kullanılması
Green synthesis of carbon quantum dots from momordica charantia, preparation of chitosan supported heterogeneous silver catalyst and its use in reduction of nitroaromatic compounds
FARAH SAMIR SALIM SALIM