Діелектрична релаксація та фазові переходи в системах ундеценова кислота-силікагель

У вступі висвітлено актуальність обраної тематики досліджень, а саме обґрунтовано вибір об’єктів дослідження. Встановлено мету даної робити, перелік завдань, які потрібно виконати для досягнення поставленої мети. Також наведено перелік обраних експериментальних методів досліджень. Визначено новизну та практичне застосування результатів даної роботи.
У першому розділі висвітлюється сучасний стан дослідження обраної тематики, а також уже відомі відомості про системи, які вивчаються у даній роботі. Зокрема, викладено інформацію про способи практичного використання досліджуваних нанокомпозитів: фармакологічне застосування ундеценової кислоти у лікуванні грибкових захворювань та ймовірне її використання як індуктора апоптозу клітин у боротьбі зі злоякісними новоутвореннями. Наведено відомості про теоретичні моделі опису фазових переходів та діелектричної релаксації, які у дані роботі використовуються для аналізу експериментальних даних.
Другий розділ містить опис об’єктів дослідження та інформацію про експериментальні методи досліджень використані у даній роботі. Досліджувані системи – нанокомпозити, якими являються пористі матриці силікагелю трьох розмірів пор з трьома різними модифікаціями поверхні, заповнені ундеценовою кислотою. Визначення вмісту ундеценової кислоти та функціональних груп на поверхні силікагелю визначалися за допомогою методу термогравіметрії. Рентгеноструктурний аналіз використовувався для визначення кристалічної структури ундеценової кислоти в порах силікагелю. Фазові переходи досліджувалися за допомогою методу диференційної скануючої калориметрії. Діелектрична спектроскопія використовувалася для визначення релаксаційних характеристик досліджуваних систем. Метод ІЧ спектроскопії дозволив якісно проаналізувати особливості теплового руху молекул ундеценової кислоти у наноматриці та порівняти отримані результати із результатами для об’ємної ундеценової кислоти.
Третій розділ присвячено первинному аналізу експериментальних результатів, отриманих за допомогою згаданих вище методик. У даному розділі проаналізовано вміст ундеценової кислоти та її структуру в порах силікагелю. Показано, що для нанокомпозитів характерним є утворення кристалу, у якого відсутній великий період, в той час як підкомірка кристалічної решітки відповідає підкомірці кристалічної решітки в об’ємі. Проаналізовано залежності температури та теплоти плавлення досліджуваних зразків від розміру пор та модифікації поверхні пор наноматриці. Отримано температурні залежності комплексної діелектричної проникності від температури для досліджуваних зразків. Проведено якісний аналіз теплового руху молекул ундеценової кислоти у порах силікагелю за допомогою отриманих ІЧ спектрів у широкому діапазоні температур.
У четвертому розділі проведено подальший аналіз експериментальних даних, а саме: розраховано та проаналізовано енергетичні параметри поверхневого шару нанокристалів ундеценової кислоти: різницю поверхневих натягів та ентропій поверхневого шару, тиск всередині нанокристалу, об’єм, який припадає на одну частинку, та густину нанокристалу. За допомогою отриманих даних проаналізовано деформаційні зміни та зміни напруженого стану в зразках. Крім того, проведено аналіз даних діелектричної спектрометрії за допомогою моделі термоактивованого руху та розраховано розмір активаційної зони у нанокристалах ундеценової кислоти, а також кількість релаксаторів, енергію та ентропію активації термоактивованого стану.

Ключові слова: ундеценова кислота, силікагель, нанокомпозитні матеріали, хімія поверхні, ІЧ спектроскопія, теплофізичні властивості, рентгенівська дифракція, фазовий перехід, діелектрична релаксація.

The introduction highlights the relevance of the chosen research, specifically justifying the selection of research objects. The aim of this study is delineated, along with a comprehensive enumeration of tasks requisite for attaining the proposed objectives. Additionally, a list of the selected experimental methodologies employed in the research is presented. The novelty and practical implications of the findings of this study are also identified.
In the first chapter, the current state of research on the selected topic is examined, as well as the known information about the systems studied in this work. Specifically, the chapter delves into the practical uses of the researched nanocomposites, highlighting the pharmacological application of undecylenic acid for fungal infection treatment and exploring its potential role as an apoptosis inducer in the fight against cancer. It presents details on theoretical models of phase transitions and dielectric relaxation, which are employed in this study to analyze experimental data.
The second chapter outlines the research subjects and details the experimental methodologies used in this study. The study is focused on nanocomposites of porous silica gel matrices with three pore sizes and surface modifications, all imbued with undecylenic acid. The quantification of undecylenic acid and functional groups on the silica gel surface was obtained using thermogravimetric analysis. X-ray structural analysis identified the crystalline structure of undecylenic acid within the pores. Phase transitions were investigated using differential scanning calorimetry, while dielectric spectroscopy determined the relaxation properties of the systems. Infrared (IR) spectroscopy provided a qualitative assessment of the thermal mobility of 6 undecylenic acid molecules within the nanomatrix, comparing the results with those for the bulk form of the acid.
The third chapter is dedicated to the preliminary analysis of the experimental results obtained using the aforementioned methods. This section analyzes the mass fraction and structure of undecylenic acid within the silica gel pores. It demonstrates that the nanocomposites typically form a crystal lacking long-range order, while the subcell of the crystal lattice corresponds to the subcell in bulk form. The chapter explores how the temperature and the heat of melting of the samples vary with the size of the pores and the surface modification of the nanomatrix pores. It presents the temperature dependencies of the complex dielectric permittivity for the studied samples. A qualitative analysis of the mobility of undecylenic acid within the silica gel pores was conducted using the obtained infrared spectra over a broad temperature range as well.
In the fourth chapter, further analysis of the experimental data is conducted. Specifically, following parameters of the undecylenic acid nanocrystals are calculated and examined: the difference in surface tensions and the entropy of the surface layer, the pressure inside the nanocrystal, the volume allocated per particle, and the density of the nanocrystal. Using the obtained data, the deformational changes and the changes in the stressed state of the samples are analyzed. An analysis of dielectric spectrometry data is conducted using the model of thermoactivated motion. The size of the activation zone in the undecylenic acid nanocrystals, as well as the number of relaxators, the energy, and the entropy of activation of the thermoactivated state, are calculated.

Key words: undecylenic acid, silica gel, nanocomposite materials, Surface chemistry, IR spectra, thermophysical properties, X-ray diffraction, phase transition, dielectric relaxation.

Гнатюк К. І. Діелектрична релаксація та фазові переходи в системах ундеценова кислота-силікагель : дис. ... д-ра філос. в галузі природничих наук : 104 Фізика та астрономія / Гнатюк Катерина Іванівна. - Київ, 2024. - 116 с.