NANO BİLİM VE TEKNOLOJİ FARKINDALIĞI Hafta 3 Moleküller Arası Kuvvetler: Zayıf Etkileşimler Yüzey Alanı/Hacim Oranı

Moleküllerarası Kuvvetler Moleküller arası kuvvetler molekülleri bir arada tutan çekim kuvvetleridir. Molekül içi kuvvetler bir molekül içindeki iyonları birarada tutan kuvvetlerdir. Moleküllerarası kuvvetler genel olarak Vander Waals kuvvetleri adını alırlar. Molekül içi ve Moleküller arası kuvvetlerin karşılaştırılması 1 mol suyu buharlaştırmak için 41 kJ enerji gereklidir. (moleküller arası kuvvet) 1 mol su içerisinde bulunan O-H bağını kırmak için ise 930 kJ gereklidir.(molekül içi kuvvet) Genel olarak, moleküller arası kuvvetler, molekül içi kuvvetlerden çok daha zayıftır.

Dipol-Dipol Kuvvetleri Bu etkilesim, iki polar molekülde mevcut olan dipollerin elektrostatik olarak etkilesmesidir. Bu etkilesime, polar sıvılar ve polar bir maddenin polar bir sıvıda çözünmesiyle olusan çözeltiler örnek verilebilir. Örneğin sıvı kloroformda moleküller arasındaki etkilesim ve azot monoksitin sudan çözünmesiyle olusan çözeltide NO ve H2O molekülleri arasındaki etkilesim dipol-dipol etkilesimidir.

Moleküller arası Kuvvetler Dipol-Dipol Kuvvetleri Polar moleküller arasında gelişen çekim kuvvetleridir. Katı içerisindeki polar moleküllerin düzeni

Molekül polarlığı arttıkça, kaynama noktası artar.

Moleküller Arası Kuvvetler Iyon-Dipol Kuvvetleri Bu etkilesim, bir iyon ile bir polar molekülün elektrostatik olarak etkilesmesidir. Her ne kadar Coulomp yasası yönsel değilse de, iyonun dipolü yönlendirmesi nedeniyle iyon-dipol etkilesimi yönseldir. Bu etkilesime, iyonik bilesiklerin suda çözünmesi örnek verilebilir. Bir iyon ve bir polar molekülü bir arada tutan çekim kuvvetleridir. Ion-Dipole Interaction

Kalıcı dipollerin pozitif kutbu ile negatif iyonlar ve kalıcı dipolün negatif kutbu ile pozitif iyonlar arasında bir elektriksel çekim kuvveti oluşur. Bu çekim kuvvetine iyon-dipol kuvvetleri denir. İyonik katılar ( NaCl, KF, CaBr2… ), su gibi polar çözücülerde çözündüğünde iyon - kalıcı dipol etkileşimleri oluşur.

Su ve Katyonlar Arasındaki Etkileşim çözeltide

KALICI VE GEÇİCİ ( İNDÜKLENMİŞ ) DİPOLLER Polar moleküllerde kalıcı dipoller oluşur. Örneğin ; HCl, HBr, NH3 ve H2O da kalıcı dipoller oluşur. Apolar moleküllerde ( N2, O2, CH4, BF3 ) geçici dipoller oluşur. Bu moleküllerde ve soygaz atomlarında elektron yoğunluğu eşit olarak dağılmıştır. Bundan dolayı kalıcı dipoller oluşmaz. Bu tür maddelere dışarıdan elektriksel etki yapıldığında elektronlar atomun veya molekülün bir bölgesinde toplanır. Bu sayede apolar moleküller veya soygazlar polar yapı kazanır. Bu şekilde oluşan dipollere indüklenmiş ( geçici dipol ) denir. Bu kuvvetlere London kuvvetleri de denir. London kuvvetleri moleküller arası etkileşimin en zayıfıdır.

Moleküller Arası Kuvvetler Dispersiyon Kuvvetleri Atom veya moleküllerde oluşan geçici indüklenmiş dipol kuvvetlerinin sonucudur. İyon-indüklenmiş dipol etkileşimi: Geçici indüklenmiş moleküller (apolar molekül) ile iyonik bir maddenin iyonları arasında oluşan anlık çekim kuvvetlerine denir. Bu etkileşim çok zayıftır ve iyonları birbirinden ayırarak çözmeye yeterli değildir. Örneğin apolar olan CH4 molekülü ile iyonik yapılı NaCl karıştırıldığında anlık çok zayıf iyon-indüklenmiş dipol bağları oluşur . fakat bu bağlar Na+ ve Cl- arasındaki kuvvetli iyonik bağları koparamadığından çözünme gerçekleşmez. iyon-indüklenmiş dipol etkileşimi

dipol-indüklenmiş dipol etkileşimi Polar moleküller ile indüklenmiş dipoller arasında oluşan anlık çekim kuvvetleri dipol- indüklenmiş dipol bağlarıdır.Dipol- indüklenmiş dipol bağları, polar moleküller arasındaki güçlü dipol –dipol bağlarını koparmaya yetmediğinden çözünme olmaz. Örneğin, polar H2O ve apolar CH4 molekülleri birbiri içinde çözünmez. dipol-indüklenmiş dipol etkileşimi

London etkileşimi tüm moleküllerde bulunur; fakat sadece London etkileşiminin bulunduğu maddeler soygazlar, moleküler elementler ( N2- O2- Cl2 ) ve apolar moleküllerdir. Atomların ve moleküllerin molekül ağırlığı ve yüzey alanı büyüdükçe (dallanma azaldıkça ) London etkileşimi güçlenir. Bu da kaynama noktasının yükselmesine neden olur. Apolar moleküllerin elektron sayısı arttıkça polarlığı artar ve kaynama noktaları yükselir. İndüklenmiş dipoller arasında sadece çekme kuvveti ardır.

ÖRNEK: Aşağıdaki moleküller arasında ne tür moleküller arası kuvvetler vardır? HBr HBr polar bir molekül olduğu için dipol-dipol etkileşimi vardır, ayrıca HBr molekülleri arasında dispersiyon kuvvetleri de söz konusudur. CH4 CH4 apolar: dispersiyon kuvvetleri. SO2 S O SO2 polar bir molekül olduğu için dipol-dipol etkileşimi vardır ayrıca dispersiyon kuvvetleri de söz konusudur.

Moleküller Arası Kuvvetler Hidrojen Bağı Hidrojen bağı hidrojen atomu ve elektronegatif F, O, N atomları arasında oluşan özel bir dipol-dipol etkileşimidir. Elektronegatifliği yüksek olan N, O ve F a bağlı hidrojen atomu bu bağı bozmadan başka bir molekülde bulunan ortaklanmamış elektron çifti taşıyan diğer bir atomla da bağlanabilmektedir. Hidrojen atomu bu durumda iki molekül arasında köprü oluşturmuş olur. Bu şekilde hidrojenin oluşturduğu bağa hidrojen bağı denir. Bileşiğin yapısında – OH,- COOH ve NH2 varsa moleküller arası hidrojen bağı oluşturabilir.

A H … B veya A & B =F, O, yada N dir.

Hidrojen bağının varlığını gösteren ilk kanıt kaynama noktasıdır Hidrojen bağının varlığını gösteren ilk kanıt kaynama noktasıdır. Aynı periyottaki elementleri içeren bir seri benzer bileşiğin kaynama noktaları artan kütle ile artar. Fakat şekilde görüldüğü gibi 5A, 6A, 7A gruplarındaki elementlerin hidrojenli bileşikleri beklenin aksine çok yüksek kaynama noktasına sahiptir. Azalan mol kütlesi Azalan kaynama noktası

Hidrojen bağının olduğu moleküllerde dipol- dipol ve London etkileşimi de bulunur. Hidrojen bağı, dipol – dipol ve London etkileşimlerinden daha kuvvetlidir. Örneğin; alkol ( C2H5-OH ) su ( H2O ) içinde çözündüğünde moleküller arasında hidrojen bağı, dipol- dipol etkileşimleri ve London kuvvetleri oluşur. O2 apolar molekülleri H2O polar moleküller içinde çok az çözünür. Çözünme sırasında London kuvvetleri ve dipol – indüklenmiş dipol kuvvetleri meydana gelir. Örnek: A) CCl4 – H2O kalıcı dipol – indüklenmiş dipol B) H2O – C2H5OH dipol-dipol etkileşimi C) CCl4- I2 London kuvvetleri D) NaCl – H2O iyon – dipol E) NaCl – CCl4 hidrojen bağı – dipol etkileşimi Yukarıdaki bileşikler arasında oluşan zayıf etkileşimlerden hangisi yanlıştır ? Çözüm: E şıkkında iyon-indüklenmiş dipol bağları olmalıdır. Cevap:E

A ) CH4 – CH4 B ) Na – H2O C ) K – C2H5OH ÖRNEK: Dispersiyon kuvvetleri aşağıda verilen türlerden hangilerinin arasında görülür? A ) CH4 – CH4 B ) Na – H2O C ) K – C2H5OH D ) CH4 – NaCl E ) C2H5OH-H2O Çözüm: Bu kuvvetler apolar moleküller arasında görüldüğünden CEVAP : A ÖRNEK: I. CH3CH2CH3 II. CH3CH(CH3)CH3 III.CH3CH2CH2CH2CH3 Verilen bileşiklerin kaynamaya sıcaklıkları nasıl sıralanır? ÇÖZÜM: Karbon sayısı arttıkça kaynama noktası yükselir, dallanma arttıkça da düşer. Cevap:III>I>II

ÇÖZÜM: I, II ve III. de hidrojen bağı IV. de London kuvveti etkindir. Örnek: Aşağıda verilen bileşiklerden hangilerinin moleküller arası hidrojen bağı oluşmaz? A ) C2H5OH B ) HN3 C) CH4 D ) HCOOH E) C3H7OH ÇÖZÜM: CH4 apolar molekül olduğundan moleküller arası dispersiyon kuvveti etkindir. CEVAP:C Örnek: I - NH3 II - H2O III - HF IV - C2H6 Verilen bileşiklerin kaynama noktaları sıralaması büyükten küçüğe nasıldır? ÇÖZÜM: I, II ve III. de hidrojen bağı IV. de London kuvveti etkindir. Kaynama noktaları H2O> HF > NH3 > C2H6 dir.

Sıvıların Özellikleri Yüzey Gerilimi bir sıvının yüzeyinde birim yüzey kadar artışa yada gerilmeye neden olan enerji miktarıdır. Moleküller arası kuvvetli çekim Yüksek Yüzey Gerilimi

Sıvıların Özellikleri Kohezyon Aynı moleküller arasındaki çekim kuvvetleridir. Adhezyon Farklı moleküller arasındaki çekim kuvvetleridir. Adhesion Cohesion

Sıvıların Özellikleri Viskozite bir sıvının akmaya karşı gösterdiği dirençtir. Moleküller arasında kuvvetli çekim Yüksek viskozite

Birim hücrenin üç boyutta genişlemesi KRİSTAL YAPI Bir kristalin katı uzun mesafeli değişmez bir düzene sahiptir. Atomlar, moleküller veya iyonlar belirli bir pozisyon işgal eder. Bu tür bir düzen moleküller arası net çekim kuvvetlerinin max. düzende olması anlamına gelir Bir amorf katı tanımlanmış bir düzenleme ve uzun mesafeli moleküler yapıdan yoksundur. Bir birim hücre kristalin bir katının tekrarlanan temel yapı birimidir. Kafes noktası Kafes noktası Atomlar Moleküller Iyonlar Birim Hücre Birim hücrenin üç boyutta genişlemesi

Yedi Temel Birim Hücre Türü

Kristalin olmayan kuartz-cam Cam gibi amorf katıların atomları üç boyutlu düzenden yoksundur. Cam genellikle, kristallenmeksizin katı halde soğutulmuş anorganik malzemelerin optikçe sağlam bir erime ürünüdür. Kristalin Kuartz (SiO2) Kristalin olmayan kuartz-cam

Nano Boyutun Farkı Nedir? Nano ≠ Maddenin küçük boyutu Sadece küçülme değil, nano boyutlarda ortaya çıkan yeni özellikler: Boyut sınırlandırması Yüzeye bağlı etkiler Nanoboyutlarda ortaya çıkan yeni özellikleri makro boyutlardaki özelliklerden tahmin etmek mümkün değildir.

Nano Boyutun Farkı Nedir? Oran Farklı: Yüzey alanı/Hacim

Demirimsi Sıvı (Ferrofluid) Ferro sıvı, kolloid şeklinde içerisinde ferromanyetik nano-parçacıkalar içeren ve etrafları bir çözücü ile çevrilmiş sıvılardır. Fe3O4 :Demir (II-III) Oksit (magnetit) Harddisklerde, sürtünmeyi engelleyici olarak makine mühendisliğinde, teleskop yapımı, magnetik ilaç hedeflemede vb. kullanılmaktadır.

Ferrofuild video

Nano-parçacıklar/Kuvatum Noktaları Kuvantum noktaları, kuvantum mekanik özellik gösteren kristal yapılardır. Ne makro ne de atomik düzey Yüzey Alanı: 4πr2 Hacim: 4/3πr3 Elektronik özellikleri, makro yapıdaki yarı-iletkenler ile yalnız bir molekül arasındadır. Transistör, güneş panelleri, LED ve LASER teknolojileri üzerinde çalışılmaktadır. Tıpta işaretleyici olarak kullanılmaktadır. Altın nano-parçacıklar

Boyuta Bağlı Özellikller

Nanokristal Sentezi

Buraya CdSe vid Süreç 13 mg CdO’i 25 mL’lik ısıya dayanıklı balona ekle 0,6 mL oleik asit ve 10 mL oktadesin ekle Cd’u 225 derecede 20dk ısıt sonra oda sıcaklığında 1 mL Se ekle. Zamanı tut... Yaklaşık 1mL’lik örnekleri eşit zaman aralıklarında alıp tüplere dök. Daha sonra daha uzun aralıklarda örnek al Eg = h c / λ dan dalga boylarını ve partikül çapını hesap edebiliriz.  

Nano-Parçacıkların Kullanım Alanları Daha karmaşık nano-materyaller oluşturmada Yüksek yüzey/hacim oranından dolayı Yalıtkan Katalizör (Soy metal altın gibi) Enerji depolama Kaplamalarda Saydam Esnek (TiO2 kaplamalı ince film güneş panelleri) Kompozit malzemelere katkı maddesi olarak İşaretleyici olarak

Nano-parçacıkların Kullanım Alanları Nilüfer (Lotus) Etkisi: Kendi kendini temizleyen, kir tutmayan yüzeyler.

Karbon Karbon, doğada yaygın bulunan  ametal kimyasal element. Evrende bolluk bakımından altıncı sırada yer alan karbon, kızgın yıldızlarda hidrojenin termonükleer yanmasında temel rol oynar. Dünyada hem doğal halde, hem de başka elementlerle bileşik halinde bulunan karbon, ağırlık olarak yerkabuğunun yaklaşık % 0,2'sini oluşturur. En arı (katışıksız) biçimleri elmas ve grafittir; daha düşük arılık derecelerinde madenkömürünün, kokkömürünün ve odunkömürünün bileşeni olarak bulunur. Atmosferin yaklaşık % 0,05'ini oluşturan ve bütün doğal sularda çözünmüş olarak bulunan karbon dioksit, kireç taşı ve mermer gibi karbonat mineralleri, kömürün, petrolün ve doğal gazın başlıca yapıtaşları olan hidrokarbonlar, en bol bulunan bileşikleridir. (tr.vikipedia)

Karbon (C) Allotrop bir elementin atomlarının farklı şekillerde bir birlerine bağlanarak oluşturdukları farklı yapısal modifikasyonlardır. Karbonun dört allotropu vardır: Amorf (düzenli bir yapı yok) Grafit (altılı halkaların tabakalı katmanları) Elmas (düzgün dörtyüzlü örgü) Küresel (halkalardan oluşmuş küre)

Amorf yapılı karbon

Elmas ve grafit

Küresel (Bukyball)

Karbon Nanotüpler (KNT) Karbonun allotropu olan grafit’in silindir şekline gelmiş halidir. İki türlüsü vardır: Tek duvarlı ve çok duvarlı

Karbon Nano Tüpler Tek Duvarlı İki duvarlı

Tek Duvarlı Karbon Nano Tüp Türleri

Karbon Nanotüp (KNT) 4nm genişliğinde, çeliğin 1/6 yoğunluğunda ama 100 kat sağlam, iyi bir iletken/yarı-iletken.

Nanotüp Uygulamları AFM (Atomic Force Microscope/Atomik Kuvvet Mikroskobu) için uç olarak Düz görüntü ekranı olarak: “NanoEmissive Display” (NED). Nanokopmozit malzeme: %20-30 daha kuvvetli kompozit (rüzgar türbinlerinde kullanılıyor).  Potansiyel olarak: H depolama; verileri saklama; yarı-iletken teknolojlerinde;

Fulleren C-60 Zelen Fulleren C-60 Day Cream, adından da anlaşılacağı gibi, Nobelli Richard Smalley’in sentezlediği Fulleren C-60 içeren bir krem. Anlaşıldığı kadarıyla oldukça iyi antioksidan özelliğe sahip. Bu nano-kapsüller sayesinde aktif malzeme derinin daha derinliklerine inebiliyor.

Üretimi Değirmende (Tamburda) Çelik toplar ile öğütme

Üretimi Lazer ile Eriterek Çıkarma

Üretimi Elektrik Arkı

Üretimi Elde edilen ürünler saf değildir Katalizör parçaları Karbon kümeleri Küçük fulleren yapıları (C60/70) Karbon nanotüpler dahi karışık haldedir İletken/yarıiletken Tek ya da çok duvarlı Çapları ve uzunlukları farklıdır İşe yarar hale getirmek için saflaştırma gerekir

Saflaştırılması Katalizörlerin uzaklaştırılması: Asit ile muamele Isıl oksitleme Manyetik ayırma (Demir:Fe) Küçük fullerenlerin uzaklaştırılması Mikro süzme (filtreleme) ile çekme Karbon ve karbon bileşiklerin uzaklaştırılması Nanotüplerin seçici işlevselleştirlmesi (yeni gruplar ile reaksiyon) Tavlama Temel Sorunlar Karbon nanotüpe hasar vermeme veya modifiye Pahalı üretim

Mukavemet Özellikleri KNT en güçlü gerilme mukavemetine (direncine) sahip malzemedir. Aynı zamanda en yüksek elastisiteye sahiptir Malzeme Esneme Ölçüsü (TPa) Gerilme Direnci (GPa) Kopma uzaması (%) Tek Duvarlı NT ~1 (from 1 to 5) 13-53E 16 Koltuk TDNT 0.94T 126.2T 23.1 Zigzag TDNT 94.5T 15.6-17.5 Kiral TDNT 0.92 Çok Duvarlı NT 0.8-0.9E 150 Paslanmaz Çelik ~0.2 ~0.65-1 15-50 Kevlar ~0.15 ~3.5 ~2 KevlarT 0.25 29.6

Elektrik Özellikleri Koltuk formasyonunda ise metalik özellik gösterir. Kiral formasyonda ise ya yarı iletkendir ya da a iletkendir. Teoride, metalik KNT bakırdan 1000 kat daha fazla elektrik akımı taşıyabilir.

Isıl Özellikleri Bütün nanotüplerin tüp boyunca çok iyi bir ısı iletkeni olduğu ancak karşıdan gelince çok iyi bir yalıtkan olduğu düşünülmektedir. KNT’lerin oda sıcaklığında 6000 watts/mK iletebileceği düşünülmektedir; iyi bir iletken olan bakırda bu durum yaklaşık 385 watts/mK. KNT’lerin ısı kararlılıklarının vakumda 2800oC and havada 750oC olduğu düşünülmektedir.

Tanecikleri Nano-Seviyede Gözleme ve İşleme Atomları çok iyi mikroskoplar ile görebilir miyiz? Atomlar, boyutlarının görünür ışığın dalga boyundan çok küçük olması sebebiyle optik mikroskoplarla görüntülenemezler. Atomik düzeyde çözünürlük elde edebilmek için elektron mikroskopları (geçirimli elektron mikroskobu), taramalı uç mikroskopları vb. kullanılmaktadır.

Taramalı Tünelleme Mikroskobu (STM) Tarama ucu ile örnek yüzeyi arasındaki elektrik akımını ölçerek yüzeyi tarama imkanı tanımaktadır.

STM Türleri Sabit-akım modu Sabit-yükseklik modu Çözünürlüğü Sondanın yüksekliğini akımın aynı kalmasını sağlayarak ölçer Sabit-yükseklik modu Yüzeye aynı mesafede kalarak tünelleme akımını ölçer Daha hızlıdır Daha düzgün yüzeylerde kullanılır Çözünürlüğü XY: 1nm, Z: 0,1nm

STM Videoları (IBM+Animasyon)

AFM ve İşleyişi

AFM ve İşleyişi İki türü vardır: Yüzeye temas eden Hafifçe dokunan Doğrudan fiziksel temas Örneğe zarar verebilir (özellikle de biyo-malzemelere) Hafifçe dokunan Titreşimli uç Osilasyonun frekansını ölçer

AFM ve İşleyişi

Daldırma-Kalemi ile Basım Ama bir problem var!

Kendiliğinden Montaj (Self-Assembly) Moleküler kendiliğinden montaj, moleküllerin belirlenmiş bir yere (atom ya da molekül) dışarıdan bir müdahale olmadan gelip bağlanması. Yandaki magnetik ürünleri gibi uygun uçlar biribirini çekerek bir araya gelir. Buradaki temel varsayım “minimum enerji” için moelküllerin uygun bağlar yapacağıdır. Kimyada bugün kullanılan Kristal büyütme ve polimerleşme de nanoteknoloji için önemli yaklaşımlar.