İyonik amfifillerin karmaşık çözeltilerde sıvı kristalik mezofazları ve bu mezofazların termo-optiksel ve dielektriksel özellikleri

Abstract

Bu doktora tez çalışmasında, uygulama açısından önemli olan iki bileşenli, yeni çok bileşenli ve yeni karmaşık liyotropik sıvı kristalik sistemlerin mezomorfik, termotropik, termo-morfolojik, magneto-morfolojik, optiksel, magneto-optiksel ve elektriksel özellikleri geniş sıcaklık ve konsantrasyon aralıklarında incelenmiştir ve bu sistemlerin yeni uygulama alanları belirlenmiştir. Sunulan doktora tez çalışması, beş bölüm içermektedir. Birinci bölümde çalışmanın amaç ve kapsamı tanıtılmıştır. İkinci bölümde söz konusu çalışma ile ilgili literatür özeti verilmektedir. Üçüncü bölümde kullanılan materyaller ve uygulanan deneysel yöntemler takdim edilmiştir. Dördüncü bölümde elde edilen yeni bilimsel sonuçlar, yeni bulgular ve tartışmalar verilmektedir. Bu bölüm altı kısımdan oluşmaktadır: Birinci kısımda iki ve üç bileşenli liyotropik sistemlerin mezomorfik, morfolojik, optiksel kırıcılık ve öz elektriksel özellikleri incelenmiştir. İncelemelerde iki bileşenli liyotropik sistemler olarak (DDTMABr)+H2O ve (HDTMABr)+H2O karışımları ve üç bileşenli liyotropik sistemler olarak (DDTMABr+HDTMABr)+H2O karışımları hazırlanmıştır ve söz konusu özellikleri incelenmiştir. Karmaşık liyotropik sistemde DDTMABr/HDTMABr amfifillerin konsantrasyon oranının optiksel kırıcılık özelliklerine etkisi ve söz konusu sistemlerde alkil zincir uzunluğunun kırıcılık özellikleri üzerine de etkisi incelenmiştir. İkinci kısımda çeşitli DDTMABr/HDTMABr konsantrasyon oranlarına sahip üç bileşenli (DDTMABr+HDTMABr)+H2O liyotropik sistemlerin mezomorfik ve morfolojik özellikleri incelenmiştir. Ayrıca incelenen (DDTMABr+HDTMABr)+H2O liyotropik sistemlerin optiksel kırıcılık ve öz elektriksel iletkenliklerin sıcaklık ve konsantrasyon bağımlılıkları incelenmiştir. Bu çalışmada izotropik misel L1 fazı için üçlü faz diyagramında sınır bölgesi belirlenmiştir. Bununla birlikte farklı alkil uzunluğuna sahip DDTMABr+HDTMABr amfifil karışımların faz durumlarının kırılma indisi ve öz elektriksel iletkenlik özellikleri üzerine etkisi bulunmuştur. Üçüncü kısımda çeşitli konsantrasyon oranlarına sahip iki amfifil bileşenli liyotropik sistemler, katyonik-katyonik, anyonik-anyonik ve katyonik-anyonik amfifil karışımları kombinasyonu ile hazırlanmıştır. Karışımlarda sabit (amfifil1+amfifil2)/H2O konsantrasyon oranında DDTMABr, HDTMABr, TDTMABr, SDDS ve SDS amfifil malzemeler kullanılmıştır. Söz konusu liyotropik sistemlerde mezomorfik, morfolojik ve magneto-morfolojik özelliklerin zamana bağlı dönüşüm dinamikleri ve optiksel kırıcılık özelliklerin sıcaklık ve konsantrasyon bağımlıkları incelenmiştir. Bunlara ek olarak, bu liyotropik sistemlerde mezofaz-izotropik sıvı termotropik faz geçişlerin heterofaz alanların özellikleri incelenmiştir. Liyotropik sistemlerin termotropik faz geçiş sıcaklıkları, kapilyar sıcaklık kama yöntemi kullanılarak belirlenmiş ve termo-morfolojik özellikleri araştırılmıştır. Dördüncü kısımda çeşitli konsantrasyon oranlarında optiksel etkin malzemeler olan şarap asiti (WA) ve tartatik asit (TA)'in eklenmesi ile elde edilen liyotropik nematik-kalamitik NC mezofaz ve nematik-diskotik ND mezofazların termo-morfolojik ve magneto-morfolojik özelliklerin zamana bağlı değişim dinamikleri, optiksel kırıcılık özelliklerin sıcaklık ve konsantrasyon bağımlılıkları ve mezofaz-izotropik sıvı faz geçişlerin heterofaz alanların özellikleri üzerine etkileri araştırılmıştır. Bu çalışmada üç bileşenli TDTMABr+H2O+kiral katkı liyotropik sistemlere sahip NC mezofazında spagetti tür tekstür (kiral yapı) elde edilmiştir ve bu yapıların adım uzunlukları ve helisel dönme gücü değerleri kiral katkı konsantrasyon oranlarına bağlı olarak incelenmiştir. Ayrıca ChC mezofazda gözlenen spagetti çizgiler arasındaki bölgelerin planar yönelime sahip olduğu, dolayısıyla söz konusu liyotropik sistemlerin negatif diyamanyetik anizotropiye sahip olduğu belirlenmiştir. Burada alkil zinciri uzun olan TDTMABr amfifil malzemenin temelinde olan liyotropik sistemde NC mezofazın kiral yapıyı elde etmeye uygun olduğu, teknik ve teknolojik uygulamalar açısından oldukça önemli olduğu ortaya konulmuştur. Bununla birlikte, WA ve TA'in κ ve HTP arasındaki arasındaki ilişki (κ_WA>κ_TA ve 〖HTP〗_WA>〖HTP〗_TA) belirlenmiştir. Dolayısıyla kiral yapı elde etmek için kullanılacak optiksel etkin malzeme seçiminin uygulamalardaki önemi de açıkça belirtilmiştir. Ayrıca dört bileşenli TDTMABr+H2O+DeOH+kiral katkı liyotropik sistemlerde uygulama açısından önemli olan ND mezofazı bulunmuştur ve bu mezofaza özgü olmayan "yağlı şerit" oluşumlar gözlendiği kaydedilmiştir. Beşinci kısımda optiksel etkin malzeme WA ve TA eklenmesi ile elde edilen hekzagonal E mezofazın termo-morfolojik ve magneto-morfolojik özelliklerin zamana bağlı değişim dinamikleri, optiksel kırıcılık ve öz elektriksel iletkenlik özelliklerin sıcaklık ve konsantrasyon bağımlılıkları ve E mezofaz-izotropik sıvı faz geçişlerin heterofaz alanın özellikleri üzerine etkileri araştırılmıştır. Bu çalışmada dört bileşenli TDTMABr+H2O+DeOH+kiral katkı liyotropik sistemlere sahip E mezofazında spagetti tür tekstür (kiral yapı) elde edilmiştir ve bu yapıların adım uzunlukları ve helisel dönme gücü değerleri kiral katkı konsantrasyon oranlarına bağlı olarak incelenmiştir. ChC mezofazında olduğu gibi, ChE mezofaz sergileyen liyotropik sistemin negatif diyamanyetik anizotropiye sahip olduğu belirlenmiştir. E mezofazında ChE mezofazın bulunmasının önemi açıkça vurgulanmıştır. Nitekim ChE mezofazın bulunması bu tez çalışması için yeni uygulama alanlarına bakış açısından oldukça büyük önem arz etmektedir. Altıncı kısımda ise WA ve TA kiral katkının eklenmesi ile elde edilen lamellar D mezofazın termo-morfolojik ve magneto-morfolojik özelliklerin zamana bağlı değişim dinamikleri, optiksel kırıcılık özelliklerin sıcaklık ve konsantrasyon bağımlılıkları ve D mezofaz-izotropik sıvı faz geçişlerin heterofaz alanlarının özellikleri üzerine etkileri araştırılmıştır. Bu çalışmada dört bileşenli TDTMABr+H2O+ DeOH +kiral katkı liyotropik sistemlerde lamellar D mezofazında daha önce bilimsel literatürde sunulmayan olağandışı küresel mikrodamlacık (microdroplet) oluşumlar elde edilmiştir ve incelenmiştir. Tezin son bölümü olan beşinci bölümde ise bulguların ve yeni bilimsel sonuçların kısa özeti verilmektedir. Doktora tez çalışmasında elde edilen yeni bilimsel sonuçlar ve bulgular SCI indisli dergilerde yayınlanmış ve çeşitli ulusal ve uluslararası konferanslarda sunulmuştur.

In this the PhD thesis, the mesomorphic, thermotropic, thermo-morpholojic, magneto-morpholojic, optical, and magneto-optical and electrical properties of the bicomponent, new multicomponent and new complex lyotropic liquid crystalline systems that are important for application have been investigated in wide temperature and concentration rates and new application areas of these systems were (have been) determined. The presented PhD thesis includes five chapters. In the first chapter, the purpose and scope of the study are introduced. In the second chapter, a literature review about the study is given. In the third chapter, the materials used and the experimental methods applied are presented. In the fourth chapter, new scientific results, new findings and discussions are given. In the first section of this study, mesomorphic, morpholojic, optical refractive and specific electrical properties of the binary and ternary lyotropic systems have been investigated. In the investigations, (DDTMABr)+H2O mixtures and (HDTMABr)+H2O mixtures have been prepared as bicomponent lyotropic systems and (DDTMABr+HDTMABr)+H2O mixtures have been prepared as ternary lyotropic systems. In complex lyotropic systems, the effect of concentration of the DDTMABr/HDTMABr amphiphile on the optical refractive properties and in lyotropic systems, the effect of length of the hydrophobic chain on the refractive properties have been researched too. In the second section, the mesomorphic and morpholojic properties of the ternary (DDTMABr+HDTMABr)+H2O lyotropic systems with various DDTMABr/HDTMABr concentration ratios have been investigated. Also, the temperature and concentration dependences of the optical refractive properties and specific electrical conductivity properties of (DDTMABr+HDTMABr)+H2O lyotropic systems have been investigated. In this study, the boundary region in the ternary phase diagram has been determined for isotropic micellar L1 phase. In addition, mutual influence of the DDTMABr and HDTMABr amphihilic mixtures with different alkyl length on the phase states, refractive index and specific electrical conductivity properties have been found. In the third section, bicomponent amphihilic lyotropic systems with various concentration combinations have been prepared by using cationic – cationic, anionic – anionic and cationic –anionic lyotropic mixtures. In amphiphilic mixtures, DDTMABr, HDTMABr, TDTMABr, SDDS and SDS amphiphile materials at a constant (amphiphil1+amphiphil2)/H2O concentration ratio have been used. In the lyotropic systems, time-dependent transformation dynamics of mesomorphic, morphologic and magneto-morphologic properties and the temperature and concentration dependences of the optical refractive properties have been investigated. Additionally, the properties of the heterophase regions of the mesophase – isotropic liquid phase transitions have been investigated in lyotropic systems. Thermotropic phase transition temperatures of these lyotropic systems have been determined by using capillary temperature wedge method and thermo-morphologic properties have been investigated. In the fourth section, the effect of optically active dopants as tartaric acid (TA) and wine acid (WA) on the time-dependent change dynamics of thermo-morphologic and magneto-morphologic properties, the temperature and concentration dependences of the optical refractive properties, the properties of the heterophase area of the mesophase–isotropic liquid phase transitions of nematic-calamitic NC mesophase and nematic-discotic ND mesophase have been investigated. In this study, the spaghetti-like texture (chiral structure) have been found in NC mesophase with ternary TDTMABr+H2O+chiral dopants lyotropic systems and the pitch and helical twisting power (HTP) values of these structures have been examined depending on the concentration of dopants. In addition, it has been determined that the regions between the spaghetti lines in the ChC mesophase have planar orientation and accordingly, the lyotropic system with the ChC mesophase has negative diamagnetic anisotropy. Here, it has been demonstrated that the NC mesophase in the lyotropic system, which is the basis of the TDTMABr amphiphilic material with a long alkyl chain, is suitable for obtaining the chiral structure and is very important in terms of technical and technological applications. Furthermore, it has been clearly stated that in terms of application, the relationship between κ and HTP (κ_WA>κ_TA ve 〖HTP〗_WA>〖HTP〗_TA) of WA and TA chiral dopants is important in choosing the optically active dopants to be used to obtain the chiral structure. Besides, ND mesophase, which is important for application in quaternary TDTMABr+H2O+ DeOH+chiral dopant lyotropic systems, was found and it was noted that "oily streaks" formations not specific to this mesophase were observed. In the fifth section, the effect of optically active dopants as wine acid (WA) and tartaric acid (TA) on the time-dependent change dynamics of thermo-morphologic and magneto-morphologic properties, the temperature and concentration dependences of the optical refractive properties and specific electrical properties and the properties of the heterophase area of the E mesophase–isotropic liquid phase transitions of hexagonal E mesophase have been investigated. In this study, the spaghetti-like texture (chiral structure) have been found in the quaternary TDTMABr+H2O+DeOH+chiral dopants lyotropic systems and the pitch and helical twisting power (HTP) values of these structures have been examined depending on the concentration of dopants. As the ChC mesophase, the lyotropic system with the ChE mesophase has been found to have negative diamagnetic anisotropy. The importance of finding the ChE mesophase in the E mesophase has been clearly emphasized. Hence, the presence of ChE mesophase with E mesophase chiral structure, is sufficiently important for this study in terms of new application areas. In the sixth section, the effect of optically active dopants as wine acid (WA) and tartaric acid (TA), on the time-dependent change dynamics of thermo-morphologic and magneto-morphologic properties, the temperature and concentration dependences of the optical refractive properties and specific electrical properties and the properties of the heterophase area of the D mesophase–isotropic liquid phase transitions of D mesophase have been investigated. In this study, unusual textures with the spherical microdroplet formations that have not been previously presented in the scientific literature for lamellar D mesophase have been found in quaternary TDTMABr+H2O+aliphatic alcohol+chiral dopants lyotropic systems and have been examined. In the last chapter of the thesis, a short summary of the findings and new scientific results are given. New scientific results and findings obtained in the PhD thesis were published in number of SCI indexed journals and were presented in various National and International conferences.