Storage Of Electrical Energy In Ion Doped Gels

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2013Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2013Polimerik hidrojeller yoğun bir şekilde kullanılmakta olan malzemeler halini almıştır. Özellikle iletken polimerlerin keşfi ve akabinde bazı küçük devre elemanlarında kullanılmaya başlanılması bu çok disiplinli çalışma alanına ilginin günden güne artmasına neden olmuştur. İletken yapıda polimerler üretilmeye başlanmadan önce polimerler genel olarak yalıtkan yapıya sahip malzemeler olarak biliniyordu. Hidrojeller ise genel olarak bugün kullanıldığı alanın dışında kullanılıyordu. Polimerik hidrojellerin su tutabilme özelliği ve insan vücuduna biyolojik olarak uyumlu bir yapıda sentezlenebilmesi ile önü açılan çalışmalar, günümüzde daha çok medikal uygulama alanlarında kullanılır hale gelmiştir. Bu çalışmada ise bütün bu bilinen özelliklerinin dışında polimerik hidrojellerin, daha önce literatürde bir örneği bulunmayan fakat çok ciddi mana önem arzedebilme potansiyeli olan bir özelliği üzerinde durulmuştur. Bilindiği gibi saf veya çeşitli molekül katkılı hidrojeller belli düzeylerde iletkenlik gösterebilmektedirler. % 90-95 oranında suyu içerisinde barındıran hidrojeller aynı zamanda hidrofilik bir iç morfolojiye sahip olup, farklı varyasyonlardaki bu morfolojik yapı da farklı karakterde iletken özellik göstermektedir.Bu tezin genel konusunu oluşturan ise üzerine bir akım uygulandığında akımı geçiren yani iletken olan bu jellerin aynı zamanda herhangi bir voltaja ya da daha farklı bir dış etkiye maruz kalmadan bulunduğu ortamda bir doğru akım üretebilmesidir. Gözlemlenen bu akım her ne kadar mikroamper seviyelerinde olsa bile, kendiliğinden böyle bir özellik gösterebilmesi çalışmayı değerli kılmaktadır. Bu dikkat çekici özellik farkedildikten sonra çalışmalar bu akıma sebep olabilecek mekanizmalar üzerinde yoğunlaştırılımış olup deneysel çalışmalar ile ilgili olan bölümün giriş kısmında bunlardan kısaca bahsedilmiştir. Deneysel kısma gelmeden önce akım, elektronik ve iyonik iletkenlik ile ilgili genel hususlardan bahsedilip konuyla ilgili bir ön çalışma yapılmış bunu takiben deneysel kısımda detaylı bir şekilde jellerin hazırlanması ölçüme uygun hale getirilmesi ve değişik iç yapıya sahip olan jellerin sentezlenmesi ile alakalı bilgiler verilmiştir. Normal stokiyometriye bağlı kalınarak jelller sentezlendikten sonra çapraz bağlayıcı konsantrasyonu normale göre iki kat fazla ve az olan jeller de sentezlenek değişik sıklıktaki ağ yapısının görülmekte olan akım üzerindeki etkileri incelenmiştir. Bu kısma gelmeden önce hidrojelin %90-95 lik bir kısmının sudan meydana geldiği bilindiği için saf suyunda böyle bir akıma sebep olup olamayacağı sorusu gündeme gelmiş bunun üzerine ilk önce oda sıcaklığında ve daha sonra jelleşme reaksiyonunun gerçekleştiği sıcaklık olan 60oC de saf su ile akım ölçümleri yapılmış (metal elektrodlar arasına özel bir sistem ile enjekte edilerek) ve bu ölçümler sonucunda saf suda meydana gelen akımın jeldekine kıyasla çok küçük bir değere sahip olduğu ve bu çalışma için önemsenmeyecek bir şiddette olduğu görülmüştür. Bu sonuca vardıktan sonra asıl sebeb olan mekanizmanın jelin iç yapısından kaynaklandığı tesbit edilmiş olup jelleşme anında yapılan deneylere geçilmiştir. Jellerin farklı oranlarda ve saf ya da yüklü olarak sentezlendiği gibi jelleşme esnasında yapılacak olan ölçümler için de ayrı ayrı jelleşme öncesi çözeltiler hazırlanmıştır. Elde edilen her bir jele karşılık gelen bir ilave jelleşme reaksiyonu ölçümü gerçekleştirilmiştir. Yapılan ölçümlerde görülmüştür ki reaksiyonun ilk başladığı esnada ciddi bir pik gözlenmektedir. Reaksiyonun başlangıcını takip eden ilk 10-15 dakika içerisinde 100-150 µA seviyelerine gelen akım değeri daha sonra şiddetli bir düşüş göstermiş ve sıfıra doğru düşmeye devam etmiştir. Bu etki değişik konsantrasyonlara sahip olan jeller için de benzer nitelik gösterip ilk birkaç dakika içerisinde şiddetli bir pik verip daha sonra sıfıra doğru azaldığı gözlemlenmiştir. Bu yeni çalışma sentezlenmiş olan jelin neden akım geçirebileceğini anlamaya yardımcı olabilmesinin yanında, jelleşme anının tesbiti içinde kullanılabilecektir. Jelleşme ile ilgili deneyler tamamlandıktan sonra, asıl konu başlığını ilgilendiren ve tartışmaların temelinde olan ölçümlere geçilmiştir. Daha önce bahsedilen değişik oran ve katkılandırılan jeller, ölçüme hazır hale getirildikten sonra sistem üzerinde gerekli kontroller yapılmış ve ölçümlere başlanmıştır. Her bir jel için ölçüm şişme oranı 1 ve 2 olmak üzere toplamda 2 defa tekrarlanmıştır. Şişme oranının 1 olması jelin kuru halindeki ağırlığının 2 katına çıkması, aynı şekilde şişme oranının 2 olması da kuru haldeki kütlesinin üçkatına yükselmesiyle açıklanmış ve ilgili formül verilerek doğrulanmıştır. Farklı şişme derecelerinde olan jeller ile ölçüm yapılmış ve deney sonuçlarında değerlendirilen kriterlerden biri olmuştur. Şişme oranındaki değişikliğin yanısıra jellerin iç yapısındaki çapraz bağlayıcı molekülün miktarında göre de bir sınıflandırma yapılmış normal stokiyometrik oranda hazırlanan bu jellere ilaveten normalin yarısı ve iki katı kadar olan jeller de sentezlenmiştir. Saf ve belirlenen miktarda piranin molekülü katkılandırılmış olan bu jellerin hepsi yukarıda bahsedilen sınıflandırmaya tabi tutulmuş ve netice itibariyle toplamda 6 adet saf ve 6 adet piranin katkılı 12 jel ile ölçümler gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın ana kısmını oluşturan bu 12 adet jel her farklı elektrot konfigürasyonu için ayrı ayrı hazırlanmış, ve şişmeden önceki ve sonraki ağırlıkları, boyutları ve yaklaşık şişme oranları tablo halinde sunulmuştur. İçinde büyük oranda su bulunduran bu şişmiş jeller oda sıcaklığında buharlaşmaya maruz kalmakta ve şişirilip boyutları saptandıktan sonra hızlı bir şekilde ölçüme başlanmaktadır. Tasarlamış olduğumuz deney düzeneği her ne kadar havanın jele nüfuzunu engelleme maksadıyla yapılmış olsa bile, belli miktarda su kaybının önüne geçilememiştir. Fakat bu durum aynı ortamda bulunan bütün jeller için geçerli olduğundan dolayı ölçümlerin bütünü dikkate alındığında, alınmış olan sonuçlara doğrudan bir etkisinin olmayacağı anlaşılmıştır. 3 farklı metal elektrot konfigürasyonunun denendiği sistemde ilk olarak iki eş büyüklükteki dairesel platin tabakalar ile ölçümler alınmış, alınan bu ölçümler sonucunda elde edilen sonuçlardaki genel davranışlara bakıldığında Platin kontaktlar arasındaki jeller üzerinden herhangi bir akımın geçmediği gözlenmiştir. Bu davranışın muhtemel nedenleri üzerinde tartışılıp ortaya makul bir öneri atılmıştır. Çalışmanın devamında hazırlanan diğer 12 adet jel bu sefer dairesel platin tabaka ve platinden yapılmış olan enjektör iğnesi kalınlığındaki platin tel arasına yerleştirilerek aynı ölçümler tekrarlanmıştır. İlk kısımdaki ölçümlerden farklı olarak, bu sefer farklı şiddetlerde akımlar gözlenmiş ve bu akımların şiddeti, akma süresi ve akım-zaman grafiği üzerindeki genel davranışı her bir jel için farklılık göstermiştir. Değişen elektrot yapısına bağlı olarak gözlemlenen bu akım hareketinin muhtemel sebepleri üzerinde yine tartışılıp bir sonuca bağlanmaya çalışılmış ve jelin moleküler düzeydeki iç yapısından hareketle bazı tahminlerde bulunulmuştur. Üçüncü ve son kısımda ise aynı cins ama farklı şekillderdeki elektrotlar yerine bu defa da aynı geometrik yapıya sahip olan farklı iki metal elektrot kullanılmıştır. Ölçüm alınacak olan jeller platin ve aliminyum plakalar arasına yerleştirilip daha önce olduğu gibi aynı şartlarda deneyler tekrarlanmıştır. Burada ilginç olan akım şiddetinin diğer ölçümlere göre çok daha fazla olması ve aynı zamanda bu akımın şiddetinin ve süresinin jelin şişme oranından ciddi bir şekilde etkilenmesidir. Jeldeki şişme oranı artırıldıkça ulaşılan maksimum akım değeri ve sonlanana kadar geçen sürenin muazzam bir şekilde etkilendiği görülmüştür. Bütün bu deneylerden elde edilen sonuçlar zaman karşı doğru akım grafiğinde yorumlanmış, yorum yapılırken her bir ölçüm şişme derecesine ve çapraz bağlayıcı oranına göre olmak üzere iki ayrı kıstas üzerinden tartışılmıştır. Çalışmanın en sonunda ise bütün bir çalışma derlenerek istenen amaca ulaşılıp ulaşılamadığı konusunda fikirler beyan edilmiştir. Ayrıca bu enteresan olaydan yola çıkılarak, sistemin muhtemel uygulama alanları üzerinde tartışılmış, sürdürülebilirliği ve geliştirilebilirliği üzerinden fikirler ortaya atılmıştır. Bütün bu deneylerin sonuçların ve yorumların yanısıra, üzerinde çalışılmış olan konunun tamamıyla yeni bir bakış açısıyla ele alındığı akıldan çıkarılmamalı, üzerinde daha derin ve detaylı çalışmaların yapılması halinde günümüzdeki en önemli problemlerden biri olan enerji konusunda pozitif bir katkıda bulunabileceği göz ardı edilmemelidir.One of the most important problems that humanity has to deal with, is energy. After the invention of transistors, researches and developments about microelectronic industry has grown exponentially. With the development of organic materials which can be used as an alternative circuit elements, scientists focused their studies mostly on organic electronics. More specificially, conductive polymers and hydrogels are top materials that has still been working on. Besides its conductivity, these materials also can show compatible property with human body. Nowadays it is common that biological implants such as artificial muscle, is mostly produced by using hydrogels. Polymers or industrially plastics, were known as good insulating materials until a few decades ago. Following the invention of condutcive polymers, it has been possible to produce synthetic materials that have tunable conductivity as it is in semiconductor metals. This tunability of conductivity make possible to produce some microelectronic circuit elements in an easy and flexible way. Upon following all these developments in organic electronics and more generally conductive polymers, this study is based on a different aspect of electrical property within the polymeric hydrogels. In the introduction part it is briefly explained that in this study it is worked on the novel property of hydrogels which has capability of creating flowing current within the gel itself without applying any voltage. This property made this study unique, because there is no any parallel or similar study. The self current producing property was noticed accidentally, but after a while we realized that it is worth to think about and develop brandnew ideas. This unfamiliar property was very peculiar to us and straitened for better understanding with continuous experiments. Bearing in mind that there is no enough infromation in the current literature, these experiments are conducted fussily. In the first three chapters, it is given some theoretical backround informations regarding with definition, properties and applications of hydrogels. It is also informed to the reader about the concept of elecrtical and ionic conductivity by giving simple examples from the current literature. Finally in the experimental part of this study, at first some information is given about the synthesizing procedure of the gels and talked about their general properties. Later it is given information about the system that has been used througout whole this study, which was a handmade apparatus. After all these stuff it is discussed the results of numerous experiments which also includes the current measurements during the gelation process. The study is finished with a conclusion part in which there some dicsussions about possible applications and developments about these specific hydrogels. With all the deficits and limited time, these thesis is still a canditate to become a milestone on this promising research area.Yüksek LisansM.Sc