Moniseinäisten hiilinanoputkien verkostoituminen vesipisaran pinnalla

Abstract

Tässä tutkielmassa tarkastellaan kokeellisesti vesipisaran ja erittäin hydrofobisten hiilinanoputkien vuorovaikutusta. Työssä suoritetuissa kokeissa katsotaan niitä yllättävän monimutkaisia vaiheita, jotka seuraavat, kun vesipisara laitetaan hydrofiiliselle piisubstraatille, jolla on hiilinanoputkidepositio. Tutkimus on jatkoa aiemman väitöskirjantyön eräälle tietylle kokeelle.

Vesipisaran ensin laajetessa ja myöhemmin kuivuessa sitä kuvataan kaukomikroskoopilla videoiden. Tutkimuksessa havaitaan hiilinanoputkien päätyvän vesipisaran päälle verkostoituen sen päällä todennäköisesti kapillaarivoimien vaikutuksesta. Pisaran kuivuttua verkostoitunut depositio jää piipalan pinnalle. Tätä niin sanottua redepositiota voidaan tarkastella kokeen jälkeen optisella mikroskoopilla ja pyyhkäisyelektronimikroskoopilla. Redepositio voitiin luokitella eri kategorioihin. Näitä kategorioita ovat näytteelle muodostuvat ketjut, depositiorengas ja muu redepositio. Selkeää riippuvuutta parametreistä ei löydetty kaikelle redepositiolle. Lisäksi havaittiin, että depositiolle muodostuvan tyhjentymisrenkaan ulkohalkaisija vastaa hyvin pallomaisella mallilla laskettua pisaran dimensiota.

Tutkimuksessa muuttuvia parametrejä ovat suhteellinen kosteus, lämmitettävän näytealustan lämpötila, pisaran koko ja piipalan päällä olevan deposition vahvuus. Näiden parametrien havaittiin jonkin verran vaikuttavan jäljelle jäävään depositioon, mutta tarkka vaikutus jäi hieman avoimemmaksi kysymykseksi.

Tutkielmassa käydään läpi myös laajasti tutkimuksen tekemiseen tarvittavaa laitteistotekniikkaa kosteudensäätelyyn, kosteuden mittaamiseen, lämpötilansäätelyyn ja kuvantamiseen liittyen.

In this thesis I experimentally examined the interactions of a water droplet with highly hydrophobic carbon nanotubes. Of the experiments performed in this work, I will discuss in detail the surprisingly complicated steps that result from placing a drop of water on a hydrophilic substrate having a carbon nanotube deposit. The study is a continuation of previous experiments, in a recent doctoral dissertation.

When a drop of water first expands and then dries, it is imaged with a long-distance microscope. It was found that carbon nanotubes end up on top of the water droplet. Here, the nanotubes form networks, probably due to capillary forces. After the droplet dries, the networked deposit remains on the surface of the silicon. This so-called redeposition can be examined after the experiment with optical and electron microscopy. In addition, the redeposition could be classified into different categories. These categories include chains, a deposit ring, and other redoposition types. No clear dependence on parameters was found for all these types. In addition, it was found that the outer diameter of the empty ring formed for the deposit corresponds to the droplet dimension calculated with a spherical model.

In the research, the variable parameters were the relative humidity, the temperature of the sample base, the size of the droplet and the amount of deposition on the silicon surface. These parameters were found to have some effect on the redeposition, but the exact effect remains a somewhat open question.

In this thesis I also review the equipment needed to conduct the research. This includes equipment for humidity control and measurement, temperature control, and imaging.