Electrochemical and spectroelectrochemical characterization of alkylated and thiolated polyanilines

Vi omges i vardagen av alla sorters plaster, som kemiskt kallas för polymerer. Vi anknyter dem oftast till vardagliga föremål såsom muggar, leksaker eller platskassar. Det finns dock en särklass av polymerer som fås elektriskt ledande genom en så kallad dopningsprocess. Dopning innebär i detta fall oxidation eller reduktion av konjugerade dubbelbindningar i polymerstrukturen. Detta har lett till utveckling av elektriska apparater där dyra, och i vissa fall även sällsynta, metall och halvledarmaterial ersätts genom av elektriskt ledande polymerer (plaster). Utöver elektronisk ledningsförmåga uppvisar dessa polymerer också jonisk ledningsförmåga. Denna kombination av unika egenskaper möjliggör skapandet av t.ex. nya sensormaterial som kan överföra kemisk information till en mätbar elektronisk signal. Detta öppnar i sin tur möjligheter att göra snabba, billiga och känsliga sensorer för bl.a. mediciniska analyser. I denna avhandling karakteriserades elektrokemiskt och spektroelektrokemiskt N- och ring-substituerade polyanilinfilmer. Polyanilin (PANI) hör till de mest studerade elektriskt ledande polymererna. Den är stabil och lätt att framställa. Substituerade polyaniliner har ändå studerats måttligt, mest p.g.a. att substituerade PANIs ledningsförmåga är lägre än PANIs och deras framställning kan vara svår. De nya grupperna i PANI-kedjan ger dock en möjlighet att binda ytterligare molekyler av intresse till PANI-kedjan, som t.ex. jonselektiva grupper. Kovalent bundna selektiva molekyler ger upphov till stabila, känsliga och selektiva sensormaterial. Karakteriseringen av de studerade polymerer är viktig för den fundamentala förståelsen av deras unika egenskaper och för utvecklingen av framtidens sensormaterial. -------------------------------------- Käytämme joka päivä monenlaisia muoveja, joita kutsutaan kemiassa myös polymeereiksi. Olemme tottuneet yhdistämään muovit arkisiin esineisiin kuten mukeihin, leluihin tai muovikasseihin. On kuitenkin olemassa erityisiä polymeerejä, jotka voidaan saada sähköä johtaviksi hapetus- ja pelkistysreaktioiden avulla. Tästä johtuen on kehitteillä sähköisiä laitteita, joissa kalliit ja jossain tapauksissa myös harvinaisia metalleja sisältävät osat ja puolijohteet voidaan korvata johdepolymeereillä (eli muoveilla). Sähkönjohtavuuden lisäksi johdepolymeereillä on myös ionijohtavuutta. Näiden erityislaatuisten ominaisuuksien yhdistelmä on mahdollistanut mm. sensorimateriaalin kehittämisen, sillä kemiallinen tieto voidaan kääntää mitattavaksi sähköiseksi signaaliksi. Tämä taas omalta osaltaan mahdollistaisi nopeiden, halpojen ja herkkien sensorien valmistuksen, mm. diagnostiikkaan. Tässä väitöksessä on tutkittu sähkökemiallisesti valmistettuja N- ja rengassubstituoituja polyaniliinikalvoja. Polyaniliini (PANI) on yksi eniten tutkituista johdepolymeereistä. Se on stabiili ja helppo valmistaa. Substituoidut polyaniliinit ovat herättäneet vain kohtalaista tieteellistä kiinnostusta, lähinnä, koska niiden sähköinen johdekyky on alhaisempi kuin PANIn. Myös niiden valmistus voi olla vaikeaa. Substituoidut molekyylit PANI-ketjussa mahdollistavat kuitenkin, että niihin voi liittää uusia molekyylejä, esim. ioniherkkiä ryhmiä. Kovalentisti sitoutuneilla selektiivisillä molekyyleillä saadaan tehtyä stabiileja, herkkiä ja selektiivisiä sensorimateriaaleja. Väitöksessä käytettyjen polymeerien karakterisointi on tärkeää, jotta niiden erityisominaisuuksia pystyttäisiin ymmärtämään paremmin ja myös kehittämään sopivia tulevaisuuden sensorimateriaaleja.

Fotokatalyyttinen kalvonpesu

Fotokatalyysillä tarkoitetaan spontaania kemiallista reaktiota, joka tapahtuu fotokatalyytin absorboidessa valoa. Reaktio voi tapahtua joko katalyytin pinnalla tai sen läheisyydessä, mutta fotokatalyytti pysyy reaktiossa muuttumattomana. Ominaisuuksiltaan paras ja eniten tutkittu fotokatalyyttinen materiaali on titaanidioksidi, jolla on säteilytettynä kyky hajottaa orgaanisia molekyylejä hiilidioksidiksi ja vedeksi. Fotokatalyysin käyttömahdollisuuksia tutkitaan membraanikalvojen puhdistamisessa kalvojen käyttöiän ja erotustehokkuuden parantamiseksi. Nykyisin kalvojen puhdistamiseen käytetään useimmiten kemiallista pesua, jonka tuloksena on usein haitallisia yhdisteitä sisältävä liuos. Fotokatalyyttinen puhdistus voisi olla ratkaisu ongelmaan, sillä sen avulla voitaisiin puhdistamisessa käytettävien kemikaalien ja siinä muodostuvien jätteiden määrää vähentää. Tämän työn kokeellisessa osassa tutkittiin polyvinyylideenifluoridikalvon (PVDF) kestävyyttä ja puhdistumista fotokatalyyttisissä reaktioissa. PVDF:n on todettu olevan erinomainen kalvomateriaali, koska se on termisesti stabiili ja se kestää hyvin kemikaaleja, kuten orgaanisia liuottimia, happoja ja emäksiä. Työssä todettiin PVDF-kalvon puhdistuvan UV/TiO2-käsittelyn avulla. Kalvo puhdistui parhaiten, kun käytettiin 0,425 m- % TiO2-liuosta. Puhdistumista havainnoitiin sekä puhtaan veden vuon mittauksilla että värjäämällä käsiteltyjä kalvoja ja mittaamalla niiden värinintensiteetti.

Strong magnetic field pulse generator

High magnetic fields and extremely low temperatures are essential in the study of new semiconductor materials for example in the field of spintronics. Typical phenomenons that arise in such conditions are: Hall Effect, Anomalous Hall effect and Shubnikov de-Haas effect. In this thesis a device capable for such conditions was described. A strong magnetic field pulse generator situated in the laboratory of physics and the Lappeenranta University of Technology was studied. The device is introduced in three parts. First one is the pulsed field magnetic generator, which is responsible for generating the high magnetic field. Next one is the measurement systems, which are responsible for monitoring the sample and the system itself. The last part describes the cryostat system, which allows the extremely cold temperatures in the system.