Development of hybrid layered double hydroxide nanomaterials

Abstract

Kolloid bilimini, fizik, kimya, biyoloji ve mühendisliği fonksiyonel yapılar tasarımlamak, yaratmak ve üretmek için bir araya getiren nanoteknoloji modern dünyamızın en gelişkin teknolojilerinin arasındadır. Nanoteknolojiye duyulan yüksek ilginin nedeni 1-100 nm boyutundaki malzemelerin daha büyük boyuttaki parçacıklara göre fiziksel ve kimyasal özelliklerinin önemli farklar göstermesinde ve izole atomlarla büyük parçacıklar arasında olmasında yatmaktadır. Bu özellikler pek çok yeni bilimsel gelişmelere kapı açmaktadır.Anyonik killer sınıfının bir üyesi olan katmanlı çift hidroksitler (KÇH), pozitif yüklü metal tabakaların ve katmanlar arasında yük dengesini sağlayan, yer değiştirebilen anyonların oluşturduğu yapılardır. KÇHlerin kimyasal yapısı; MII ile MIII'ün sırayla brusit katmanları oluşturan iki ve üç değerlikli katyonları, An-'in ise iç tabakadaki anyonu temsil ettiği [MII 1-xMIII x(OH)2]x+(An-)x/n. yH2O formülü ile gösterilir. X' katsayısı ile katyon ve anyonların geniş bir aralıkta değiştirilebilerek geniş bir aile oluşturmaları nedeniyle elektrokimya, kozmetik, kataliz ve tıp gibi birçok alanda kullanılabilen KÇHler en yararlı anorganik katmanlı malzemeler arasındadır. Genellikle boyut ve biçim malzemelerin özelliklerini ve uygulama alanlarını belirlediğinden, değişik morfolojilerde, gelişmiş malzemeler hazırlamak büyük ilgi duyulan bir alan haline gelmiştir. Yakın zamanda, KÇHlerin çeşitli kalıplarla sentezi önem kazanmıştır. Bu çalışmada yüzey-aktif madde tipi ve konsantrasyonun üre-hidrolizi metoduyla hazırlanmış Zn-Al KÇH morfolojisi üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Sodyum dodesil sülfat (SDS) ve laurik aist sodyum tuzu (SL) olmak üzere iki farklı yüzey aktif maddeyle çalışılmıştır. SDS ilave edilmiş Zn-Al KÇH için, yüzey-aktif-madde miktarının yük dengesi için gerekenden 20 kat fazla kullanılmasıyla elde edilen içi boş halka morfolojisi literatürde ilk kez gözlenmiştir. Bu etkinin kesinlikle yüzey-aktif-madde tipine bağlı olduğu görülmüştür. Aynı konsantrasyonda sodyum laurik aist sodyum tuzu (SL) ilave edilmesi çubuk benzeri morfolojiye sahip çinko hidroksit oluşumuna neden olmuştur ki bu da literatürde yenidir.KÇHler tıbbi alandaki uygulamalarda önemli bir eksiklik göstermektedirler: KÇHlerin vücut içinde tespiti zordur. Bu yüzden, bu tez çalışmasının bir kısmı da kuantum noktacıkları (KN) ilave edilmiş KÇH geliştirmeye adanmıştır. KÇH/KN hibridleri KÇHlerin biyo-uyumluluk ve ilaç taşıma özellikleriyle KNların ışıma özelliğinin bir arada kullanılmasını mümkün kılacaktır. Faklı hibrid hazırlama metotlarıyla; KÇHlerin KNların boyut, ışıma ve kararlılıkları üzerindeki etkileri incelenmiştir. KÇH/KN hibridleri farmasötik ve biyolojik uygulamalarda yüksek potansiyel vaad eden, ışıyan KÇH/KN hibridleri üretilmiştir.

Nanotechnology which brings colloidal science, physics, chemistry, biology and engineering together to design, create, fabricate and utilize functional structures lies among the state-of-the-art technologies of the modern world. The high accreditation of nanotechnology stems from the fact that the physical and chemical properties of materials differ significantly from their bulk counterparts when they are below 100 nm scale and exhibit intermediate features reside between isolated atoms and bulk materials. This special feature opens out an exciting field for new scientific advancements.Layered double hydroxides (LDHs) are a class of anionic clays where the metal layers are positively charged and the charge balance is provided by the interlayer exchangeable anions. The chemical composition of LDHs is generally expressed with the [MII1-xMIIIx(OH)2]x+(An-)x/n. yH2O formula where MII and MIII represent divalent and trivalent metal cations, respectively, and An- represent the interlayer anion. LDHs are one of the most useful inorganic layered materials since the identity of the MII and MIII cations and the guest anion in the interlayer can be varied in a wide range constituting a very large family of materials which can be used in electrochemistry, and cosmetics, or as catalysts, as adsorbents, as fillers or stabilizers in polymer blends, as well as flame retardants, drug stabilizers and drug/gene carriers. Since often shape and size dictates the properties and applications, there is a great interest in obtaining advanced materials with altered morphologies. Recently, the template-assisted synthesis of the layered double hydroxides with surfactants has gained interest. In this study, the influence of the surfactant type (sodium dodecyl sulfate (SDS) and sodium laurate (SL) and concentration as well as the reaction time on the Zn-Al LDH morphology synthesized via urea hydrolysis method was investigated. To the best of our knowledge, hollow ring morphology for SDS intercalated Zn-Al LDH was observed for the first time in the literature under the conditions where the amount of the SDS is 20 times higher than the stoichiometric ratio needed for the charge balance. This phenomenon is strictly surfactant-type dependent. The same concentration of SL yielded in the formation of rod-like zinc hydroxide intercalated with surfactant, which is also new in the literature.Applications of LDHs in the medical field lack an important characteristic: we are unable to detect LDHs inside body in medical applications. Therefore, part of this thesis is devoted to the development of quantum dot intercalated LDH, which utilizes the biocompatibility and transport properties of LDHs and the optical properties, namely the luminescence, of quantum dots, simultaneously. Different preparation methods and the influence of LDH on the properties of quantum dots, specifically size, luminescence and stability, were investigated. Luminescent LDH/QD hybrids were produced. This LDH/QD hybrid promises a high potential in the pharmaceutical and biological applications.