Nanolifler ve Karakterizasyonları

Nanolif, uzunluğu çapından daha büyük olan ve farklı iç morfoloji olasılıkları sunan yapılardır. Sentetik veya doğal polimerler ile bunların karışımlarından oluşan çeşitli nanolifler, etken maddeler içeren uygulama alanına göre rastgele veya planlı bir elyaf düzenlemesine sahip ağsı yapılar olarak tanımlanır.

Nanoliflerin Karakterizasyonu

Nanoliflerin birçok kullanım alanı vardır ve bu kullanım alanları nanoliflerin temel özelliklerine göre belirlenir. Bu özellikler nanoliflerin morfolojileri ve moleküler yapılarıdır. Morfolojik yapı oluşan lifin ortalama çapı, lif yüzeyinde oluşan gözenekler ve porozite gibi özellikleridir. Yüzey ıslanabilirliği de morfolojik yapı kavramı içinde sayılabilir. Moleküler yapı ise lifin optik geçirgenliğini, termal davranışlarını ve mekanik özelliklerini belirler.

Morfoloji

Nanoliflerin morfolojileri SEM (Taramalı Elektron Mikroskobu), TEM (Geçirimli Elektron Mikroskobu), AFM (Atomik Kuvvet Mikroskobu) ve temas açısı analizi yapılarak incelenir.

SEM (Taramalı Elektron Mikroskobu)

Cihaz numuneye gönderilen elektron demetinin, numunenin yüzeyindeki etkileşiminin dedektörler vasıtasıyla sinyal olarak toplaması ve görüntüye çevirmesi prensibine dayanır. Analiz, yalıtkan olan numunenin yüzeyi elektron etkileşimini sağlamak için iletken malzeme ile kaplandıktan sonra gerçekleştirilir. Katı numune yüzeyi yüksek enerjiye sahip elektron demeti ile taranır. Bu yöntemde yüzeyde çeşitli sinyaller oluşturulur. Bu sinyaller, Auger elektronları, ikincil elektronlar, X-ışını floresans fotonları ve değişik enerjili diğer fotonlardır. Taramalı elektron mikroskobunun katı numunelerde kullanımı, katı ile etkileşen elektron demetinin oluşturduğu çeşitli sinyallerden kaynaklanır. Çapı 50-100 nm arasında değişen nanolifler fazla büyütmelerde enerji bombardımanından dolayı zarar görebilirler. Bu nedenle Alan Emisyonlu Taramalı Elektron Mikroskobu (FESEM) kullanılır. FESEM’in en büyük avantajı yüksek çözünürlükte görüntünün düşük voltajda elde edilmesidir.

TEM (Geçirimli Elektron Mikroskobu)

Morfolojik yapının detaylı incelenmesi için TEM analizi yapılır. Bu analiz yüksek voltaj altında hızlandırılmış elektronlar kullanarak numunenin iç yapısının incelenmesi prensibine dayanır. TEM; elektron kaynağı, yoğunlaştırıcı lensler, objektif lens ve projektör lenslerden oluşmaktadır. Geçirimli elektron mikroskobunda, elektron kaynağı genellikle düşük voltaj kaynağı ile ısıtılan tungsten teldir. Tel büyük bir negatif potansiyelle tutulur ve elektronlar kalınlığı 100 nm’den az olan numuneye doğru hızlanır. Elektron demetinin yönlendirilmesi elektromanyetik lensler kullanılarak yapılır. Numuneden geçen elektronlar sonucu gözlem ekranında bir görüntü oluşur.

AFM (Atomik Kuvvet Mikroskobu)

AFM, hem yalıtkan hem de iletken yüzeylerdeki atomların tek tek ayrılmasını sağlar. Bu sistemde kuvvete karşı duyarlı bir ucu iğneli pikap koluna benzeyen denge çubuğu tüm numune yüzeyinde raster düzeninde taranır. Numune ile denge çubuğu arasında oluşan kuvvet, denge çubuğunda küçük oynamalara sebep olur. Bu oynamalar optik araçlarla tayin edilir. Ucun veya numunenin hareketi piezoelektrik tüple sağlanır. Tarama sırasında uçta oluşan kuvvet, ucun aşağı yukarı hareketiyle sabit tutularak topografik bilgi sağlar. Atomik kuvvet mikroskobunun en büyük avantajı, iletken olmayan numunelere de uygulanabilmesidir.

Temas Açısı

Malzemelerin yüzey ıslanabilirliği analizi için temas açısı ölçümü yapılır. Bu ölçüm malzeme üzerine damlatılan sıvı yardımıyla katı, sıvı ve gaz fazları arasındaki damlacığın yayılma durumuna göre belirlenir. Yayılım malzeme ve damlacık arasındaki kuvvet (adezyon) büyüklüğü ve damlacığı oluşturan moleküller arasındaki çekim kuvveti (kohezyon) büyüklüğüne bağlıdır. Damlacığa teğet olan doğru eğimi açısı θ <90⁰ ise yüzeyler hidrofilik özellikler gösterirken, temas açısı θ> 90⁰ olması durumunda yüzeyler hidrofobik özellikler gösterir. Ayrıca temas açısı θ=0-5⁰ arasında olan malzeme süperhidrofil, θ> 150⁰ olan malzemeler ise süperhidrofob olarak tanımlanır. 

Moleküler Yapı

Nanoliflerin moleküler yapısı, XRD (X-Işını Difraktometresi), DSC (Diferansiyel Taramalı Kalorimetre), TGA (Termogravimetrik Analiz) ve Fourier-Dönüştürülmüş Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR) kullanılarak incelenir.

XRD (X-Işını Difraktometresi)

XRD, x-ışınlarının kırınım deseninden kristal yapıyı analiz etme esasına dayanır. Her kristal türü için alınan kırınım deseni farklıdır. XRD ile bir kristal düzleminin birim hücre boyutlarıyla birlikte kristalin atom düzlemleri arasındaki uzaklığı belirlenebilmektedir. X-ışınlarının içinden geçtiği maddenin elektronları arasında oluşan etkileşme sonucu saçılma oluşur. X-ışınları bir kristaldeki düzenli ortam tarafından saçılırsa, bu saçılmayı yapan merkezler arasındaki mesafe x-ışınının dalga boyuyla aynı mertebeden olduğu için saçılan bu ışınlar olumlu ya da olumsuz girişim yaparlar. Böylece kırınım meydana gelmiş olur.

DSC (Diferansiyel Taramalı Kalorimetre)

Diferansiyel taramalı kalorimetri, örnek ve referansa ısı akışı arasındaki farkı, kontrollü bir sıcaklık programı uygulayarak sıcaklığın fonksiyonu olarak inceleyen bir yöntemdir

TGA (Termogravimetrik Analiz)

Termogravimetrik analizde, kontrollü atmosferdeki bir numunenin kütlesi, sıcaklığın ya da zamanın fonksiyonu olarak artan sıcaklığa (zamanla doğrusal olarak) karşı kaydedilir. Kütlenin ya da kütle yüzdesinin zamana karşı çizilen grafiği termal bozunma eğrisi ya da termogram olarak isimlendirilir. Termogramlar, çeşitli polimerlerin bozunma mekanizmaları hakkında bilgi verir. Ayrıca bozunma şekilleri her bir polimer için ayrı olduğundan, bunların tanınmalarında da kullanılmaktadır.

Fourier-Dönüştürülmüş Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR)

Ölçüm, kızıl ötesi (IR) ışınlara maruz kalan numunenin içerdiği molekül veya atom bağlarının absorpsiyon spektrumunun analizi temeline dayanır.