Titanyum oksit katkılanmış grafen kompozit kaygan yüzeylerin üretimi ve akıllı malzeme performansının belirlenmesi

Abstract

Akıllı malzemeler, çevresel değişimlere yani dış uyaranlara (sıcaklık, nem, elektrik alanı, manyetik alan, ışık gibi) akıllı tepki veren ve bu etkilere göre şekil, boyut veya özelliklerini değiştirebilen malzemelerdir. Akıllı malzemelerin dış uyaran karşısında akıllı tepki verme kabiliyeti, özellikle tıbbi cihazlar, robotik sistemler, otomatik kontrol sistemleri ve enerji verimliliği uygulamaları gibi dinamik ve çevresel değişimlere duyarlı alanlarda kritik öneme sahiptir. Akıllı malzeme olarak, kompozit malzeme kullanımı, farklı uyaranlara tepki verme ya da daha verimli tepkiler oluşturma potansiyeli bakımından önemlidir. Bu nedenle, üstün optik geçirgenlik, termal iletkenlik ve elastikiyet modülü gibi özellikleri nedeniyle grafen ve fotokatalitik, elektriksel, mekanik ve kimyasal dayanıklılık gibi üstün özellikleri nedeni ile titanyum oksit kompozit malzeme bileşimleri olarak kullanılmıştır. Böylece grafen ve titanyum dioksitin üstün özelliklerinin bir araya getirildiği ve daha iyi performanslar sergilemesi hedeflenmiştir. Tez çalışmasında, farklı hidrofobluk ve pürüzlülük derecesinde yüzey özelliklerine sahip Grafen-TiO2 kaygan yüzeylerin üretimi, performanslarının analizi ve dış uyaranlara karşı akıllı tepkisel davranış kapasitelerinin belirlenmesi amaçlanmıştır. Tezin amacına ulaşmasında öncelikli olarak Grafen-TiO2 kompozit yüzeyler, düz, pürüzlü ve mikro desenli altlıkların farklı TiO2 katkılama oranlarında hazırlanmış GO-TiO2 dispersiyonlarına daldırarak kaplanması sonrasında kimyasal, kimyasal+termal, termal ya da termal+kimyasal olarak indirgenmesiyle üretilmiştir. Mikrodesenli yüzeylerin üretiminde litografi yöntemi ile üretilmiş Si-wafer alt taştan çoğaltılan PDMS altlıklar üzerinde yüzeylerin üretilmiştir. Ardından Grafen-TiO2 yüzeylerin stabilitesinin ve kendini onarma kabiliyetinin sağlanması için kayganlaştırıcı sıvı emdirilerek kaygan yüzeyler üretilmiştir. Son olarak hazırlanan Grafen-TiO2 kaygan yüzeylerinin kayma performansları ve dış uyaran olarak düşük voltajda elektrik kullanımı ile sıvı damlanın yüzeyler üzerinde hız ve yönlenme davranışının kontrolüne yönelik manipülasyonlar yapılmıştır. Kaygan yüzey performansı ve akıllı tepki davranışının daha ayrıntılı bir şekilde anlaşılabilmesi için farklı yağlayıcı vizkoziteleri, test sıvısı türü, test sıvısının damla hacmi ve dış uyaran olarak kullanılan elektrik potansiyeli gibi parametreler incelenmiştir. Yapılan çalışmalar sonucunda, üretilen Grafen-TiO2 kaygan yüzeylerde sıvı damlasının dış uyaran kontrolü ile kontrollü şekilde durdurulabildiği ve hareket ettirilebildiği tespit edilmiştir. Sonuç olarak, kaygan yüzeydeki damla hareketinin akıllı kontrolünün sağlanmasında, altlıktan ve kompozitten kaynaklı yüzey özellikleri, kayganlaştırıcı sıvı viskozitesi ve türü ve yüzeyin iletkenlik değeri değişkenlerinin optimize edilmesi ile sağlanabileceği ortaya konulmuştur. Grafen TiO2 kaygan yüzeylerinin mikrohasat, mikroakışkan sistemler ve sensör uygulamaları için yeni bir akıllı malzeme olarak potansiyel olabilir.

Smart materials are materials that respond intelligently to environmental changes, such as external stimuli (temperature, humidity, electric fields, magnetic fields, light, etc.), and can alter their shape, size, or properties in response to these effects. The ability of smart materials to respond intelligently to external stimuli is crucial, especially in dynamic and environmentally sensitive fields such as medical devices, robotic systems, automatic control systems, and energy efficiency applications. The use of composite materials as smart materials is important due to their potential to respond to different stimuli or generate more efficient responses. Therefore, graphene, with its superior properties such as excellent optical transparency, thermal conductivity, and elastic modulus, and titanium dioxide (TiO2), with its exceptional photocatalytic, electrical, mechanical, and chemical durability, have been used as composite material combinations. This aims to combine the superior properties of graphene and titanium dioxide for enhanced performance. This thesis aims to produce Graphene-TiO2 slippery surfaces with varying degrees of hydrophobicity and roughness, analyze their performance, and determine their smart responsive behavior capacities in response to external stimuli. To achieve the objectives of the thesis, Graphene-TiO2 composite surfaces were first produced by coating flat, rough, and micro-patterned substrates with GO-TiO2 dispersions at different TiO2 doping ratios, followed by reduction through chemical, chemical+thermal, thermal, or thermal+chemical methods. Micro-patterned surfaces were produced on PDMS substrates replicated from Si-wafer master molds using lithography. Subsequently, slippery surfaces were generated by impregnating lubricating liquids to ensure the stability and self-healing capability of the Graphene-TiO2 surfaces. Finally, the sliding performance of the produced Graphene-TiO2 slippery surfaces was analyzed, and manipulations were performed to control the speed and orientation of liquid droplets on the surfaces using low-voltage electrical stimuli as an external factor. To better understand the slippery surface performance and smart response behavior, parameters such as lubricant viscosity, test liquid type, droplet volume, and the applied electrical potential were examined. As a result of the conducted studies, it was found that the liquid droplet on the produced Graphene-TiO2 slippery surfaces could be controlled and moved in a controlled manner through external stimulus control. In conclusion, it has been demonstrated that the smart control of droplet movement on slippery surfaces can be achieved by optimizing surface properties from the substrate and composite, lubricant viscosity and type, and surface conductivity. Graphene-TiO2 slippery surfaces have the potential to serve as a new smart material for applications in micro-harvesting, microfluidic systems, and sensors.