5.2.1 Kontaktikokeet
Ensimmäiset tutkielmaan toteutetut kokeet olivat ns. kontaktikokeita. Kokeissa vas-takappaleella oleva vesipisara painettiin hyvin kosteassa ilmassa hitaasti nanoput-kidepositioon kiinni, minkä seurauksena vesipisara muodosti nopeasti kapillaarisil-lan näytesirun ja vastakappaleen välille. Kokeissa saatiin piisirulla olevat partikkelit muodostamaan optisella mikroskoopilla nähtävää verkkomaista kuviota. Esimerkkejä tästä kuviosta on esitetty kuvassa 10. Kuvion muodostumisen aiheuttavan fysiikan lisäksi mielenkiintoista oli, että verkkokuviossa olevat aukot vaikuttivat olevan täysin tyhjiä kaikista partikkeleista. Todennäköisenä syynä verkkokuvion muodostumises-sa pidettiin pimuodostumises-saran muodostumises-saturoiman ilman kondensoitumista piin pinnalle vielä pimuodostumises-saran nostovaiheessa. Seuraavaksi alettiin tutkia tätä kondensaation muodostumista, mistä tuli tutkielman pääasiallinen aihe. Tätä varten testien suoritustapaa muutettiin hie-man aiemmasta. Kun aiemmin pisara nostettiin suoraan kontaktiin näytteen kanssa, nostettiin nyt pisara lähelle näytettä, missä se nosti paikallisen kosteuden tarpeeksi suureksi näytteellä tapahtuvaa kondensaatiota varten.
Kuva 10: A) Kontaktikokeissa saatuja verkkomaisia kuvioita kuvattu optisella mikros-koopilla 50x-objektiivilla. Kuvasta pystytään huomaamaan aukkoja, jotka ovat puh-distuneita partikkeleista. Kuvaan merkitty 50 µm mitta. B) Aukoista otettu AFM-kuva, mistä voidaan nähdä erittäin suuri puhdistuminen tietyillä alueilla, kuten oikean ylä- ja alakulman aukot. C) Mallikuva kontaktikokeen suorituksesta. Vastakappaleel-la oleva pisara nostetaan kohti yläpuolelVastakappaleel-la olevaa näytettä. Koskettaessaan näytettä pisara muodostaa hyvin nopeasti kapillaarisillan piisirujen välille.
5.2.2 Kondensaatiokokeet
Tässä tutkielmassa painotettiin pääasiallisesti kondensaatiokokeita. Kokeissa pisara pidetään hyvin lähellä näytepintaa hanskakaapin kosteassa ilmassa, mikä saturoi il-mankosteuden näytteen ja pisaran välissä. Tämä synnyttää kondensaatiota näytteen pinnalla. Muodostuva kondensaatio vaikuttaa depositioon, muodostaen siihen aukko-ja. Näiden aukkojen ja niiden muodostamien kuvioiden tutkiminen painottuu tule-vissa luvuissa.
Testit suoritettiin hanskakaapissa, jossa pystyttiin säätämään ilman suhteellista kosteutta testin aikana. Näyte laitettiin pyörivälle näytealustalle, johon se kiinnitet-tiin kaksipuoleisella teipillä. Näytealustan alapuolelle asetetkiinnitet-tiin vastakappale omalle alustalleen, jota pystyttiin liikuttamaan eri suuntiin kolmella mikrometriruuvilla. Vas-takappaleelle laitettiin mikropipetillä tarvittava määrä vettä. Kaikkea tätä pystyttiin kuvaamaan hanskakaapin ulkopuolelta kameralla, joka myös auttoi vastakappaleen asettelussa näytteen alle. Kaavio mittausjärjestelmästä on esitetty kuvassa 11A.
Kuva 11: A) Kaavio mittausjärjestelmästä, jossa turkoosilla on merkitty hanskakaapin sisäinen alue ja valkoisella ulkoinen. 1) Kuvaamiseen käytetty kamera, jolla saatiin kuvattua ja tarkkailtua mittausta sivusuunnasta. 2) Vastakappale, jonka päällä on vesipisara ja jonka yläpuolella on näytesiru teipillä liimattuna näytealustaan. 3) Mik-rometriruuvit, joiden avulla pystytään vastakappalealustaa siirtämään kolmessa eri suunnassa. B) Kaavio jäähdytysmittausjärjestelmästä, jossa kameraan (1) on vaih-dettu kaukomikroskoopin objektiivi. Näytealusta (2) on myös vaihvaih-dettu kuparihark-koon, jossa on kiinni peltierjäähdytin. Näin näyte saadaan osoittamaan kameraan.
Lisäksi objektiivin yläpuolelle on asetettu valo (3) osoittamaan kohti näytettä.
Kun oltiin valmiita aloittamaan mittaus, käännettiin näytesirualaspäin kohti ve-sipisaraa. Tässä vaiheessa vesipisara pidettiin vielä kaukana näytteestä, noin 2-3 cm päässä. Kameran avulla ja silmämääräisesti asetettiin vesipisara näytesirun keskikoh-dan alapuolelle. Tämän jälkeen voitiin vesipisaraa alkaa nostamaan lähemmäs näytet-tä, kunnes päästiin halutulle etäisyydelle. Nostaminen pyrittiin tekemään mahdolli-simman nopeasti, mutta ilman ylimääräisten värähtelyjen synnyttämistä. Etäisyyttä tarkkailtiin mikrometriruuvin avulla, mutta lopullinen etäisyys saatiin tietää vasta kameran kuvista analysoimalla. Tätä analyysiä käsitellään tarkemmin myöhemmin.
Kun pisara saatiin sopivalle etäisyydelle partikkelista, alettiin ottaa aikaa. Ha-lutun luovutusajan kuluttua laskettiin pisara alas, ja käännettiin näytesiru takaisin ylöspäin. Näytesiru irrotettiin mahdollisimman varovaisesti teipistä, ja laitettiin odot-tamaan näyterasiaan. Kun kaikki testit testisarjasta oli tehty, otettiin näytteet ulos hanskakaapista. Tämän jälkeen niistä käytiin ottamassa puhdashuoneessa vertailuku-vat testien jälkeen (ns. Jälkeen-kuvertailuku-vat). Näistä kuvista pyrittiin käytettyjen paramet-rien avulla analysoimaan pisaroiden ja nanoputkien käyttäytymistä. Jälkeen-kuvia tarkastellaan tutkielman Suoritetut kokeet-osiossa.
Mitä testin aikana näytteelle tapahtuu? Kosteus hanskakaapissa säädetään tes-teissä yleensä korkealle, 85-95% alueelle. Kosteus kuitenkin pyritään pitämään tällä alueella, eikä nosteta korkeammalle. Kosteus ei ala tällä alueella kondensoitumaan, mutta kun pisara tuodaan lähelle näytettä saadaan kosteutta nostettua paikallisesti, mikä saa veden kondensoitumaan näytteelle. Mallia tilanteesta on esitetty kuvassa 12A.
Kuva 12: A) Malli kondensaation muodostumisesta näytteeseen, yläpuolella näyte ja alapuolella vastakappale. Lähelle tuodusta pisarasta irtoava kosteus nostaa kosteutta näytelevyn ja pisaran välissä, minkä takia vettä voi kondensoitua näytteen pinnal-le. Kuvaan on merkitty parametrit d (etäisyys) ja s (näytelevyn leveys), sekä suure m (kondensaatioalueen halkaisija). B) Kuva testin suorituksesta, johon on merkitty parametrit d ja s.
Mitä kondensaatioon vaikuttavia parametreja kokeissa on? Olennaisimmat ovat kosteus ja lämpötila. Kondensaatiokokeissa käytettävässä testijärjestelmässä lämpö-tilan tulisi pysyä vakiona testin aikana. Tämä tekee suurimmaksi muuttujaksi kos-teuden näytepinnan lähellä. Tämän koskos-teuden voidaan olettaa koostuvan kahdesta tekijästä, jotka ovat hanskakaapin suhteellinen kosteus RH ja vesipisarasta haihtuvan veden aiheuttama kosteus. Vesipisarasta aiheutuva kosteus on sitä suurempi, mitä lä-hempänä näytepintaa pisara on. Tämän takia näytteen ja pisaran välinen etäisyys on olennainen parametri, jota merkitään kirjaimella d.
Kosteuden ja etäisyyden jälkeen olennaisin parametri on aika. Mitä pidempään luovutuspisara saa olla näytteen lähellä, sitä enemmän aikaa kosteudella on nukleoi-tua pinnalle, ja sitä pidempään kondensaatiopisarat saavat muodosnukleoi-tua ja kasvaa. Tä-tä aikaa kutsutaan Tä-tässä tutkielmassa luovutusajaksi ja kondensaatioajaksi, ja siTä-tä
merkitään t-kirjaimella. Toinen aikaan liittyvä parametri on RIE-käsittelystä kulunut aika.
Näytteen ja vastakappaleen koko voi olla myös vaikuttava parametri. Kun kos-teutta nostetaan pisaran ja näytteen välissä paikallisesti, alkaa tämä kosteus myös leviämään ympäristöön. Suurempi näyte ja vastakappale saattaa vaikuttaa tähän le-viämiseen, antaen kosteudelle vähemmän tilaa poistua näytteen luota. Tähän liittyy myös luovutuspisaran muodostavan veden määrä. Hydrofiilisen vastakappaleen ta-pauksessa luovutuspisara leviää koko vastakappaleen alueelle, minkä takia pisara luo-vuttaa kosteutta suuremmalla pinta-alalla, mikä voi vaikuttaa kosteuteen näytteen ja luovutuspisaran välissä.
Testin jälkeen näytelevyyn oli muodostunut ns. kosteusalueelle useita pieniä auk-koja depositioon. Kosteusalueella huomataan aukkojen kasvavan, mitä lähemmäs alu-een keskusta mennään. Kosteusalualu-een ulkopuolella näyte kuitenkin oli pääosin ennal-laan, eikä optisella mikroskoopilla katsottaessa huomata eroa depositioon ennen tes-tejä. Malli käytetystä näytesirusta on esitetty kuvassa 13A.
Kuva 13: A) Mallikuva näytteestä, jolla on tehty testi. 1) Depositio 2) Kosteusa-lue väritetty kuvaan sinisellä 3) Aukkoja, joista normaali depositio pääosin hävinnyt.
Varsinkin reunoihin on sen sijaan kerääntynyt depositiosta muodostunutta redeposi-tiota. B) Kuva kolmesta regulaarisesta aukosta. Aukoista voi hyvin erottaa tumman puhdistusalueen, ja kirkkaamman redeposition. Aukkojen ympärillä muuttumatonta depositiota. C) Kuva irregulaarisista aukoista.
Yleisin luovutusaika, jota mittauksissa käytettiin, oli 10 minuuttia. Se oli aika, jossa ehti tehdä kaikki sarjan näytteet saman päivän aikana. Lisäksi kyseisellä aika-välillä kosteuden vaihtelu ei ollut suurta. Tämä aika yleensä pidettiin vakiona, jos haluttiin testata muita parametreja kuin aikaa.
Aikaa mitatessa varsinkin lyhyemmillä ajoilla epätarkkuutta aiheutti vastakappa-leen nostaminen näytettä kohti. Se miten tämä vaihe tehtiin saattoi aiheuttaa suurta-kin epätarkkuutta, koska vaihe täytyi tehdä hyvin varovasti. Varomaton nostaminen saattoi johtaa pisaran näytteeseen osumiseen mikä pilasi kyseisen testin. Noston ai-kana pisara kuitenkin oli jo hyvin lähellä näytettä, minkä aiai-kana kondensoituminen on jo saattanut alkaa. Tämän takia luovutusajan arvoissa epätarkkuus saattaa olla
jopa 20 sekunnin luokkaa. 10 minuutin mittauksissa tällä ei ole niin suuri vaikutus, mutta lyhyemmissä mittauksissa epätarkkuus voi tämän takia olla suuri.
Aukot itsessään koostuvat lähestulkoon puhtaasta puhdistusalueesta ja redeposi-tiosta, sekä rajautuvat muuttumattomaan depositioon. Aukot voivat olla muodoltaan joko säännöllisiä, eli regulaarisia, tai epäsäännöllisiä, eli irregulaarisia. Esimerkkejä tällaisista aukoista on esitetty kuvissa 13B ja C. Säännölliset aukot muistuttavat ym-pyrää tai ellipsiä, kun taas epäsäännöllisillä ei silmämääräisesti näytä olevan mitään selkeää muotoa.
Testien aikana etäisyyttä tarkkailtiin kameran ja millimetriruuvin avulla. Lopul-linen etäisyyden mittaus tehtiinkin kameran kuvista, joista yksi on esitetty kuvassa 12B. Kuvan etäisyyttä d verrattiin näytelevyn kokoon s, jonka pituus tiedettiin. Tä-mä ei ollut täysin tarkka metodi. Näyte ja näytealusta eivät aina olleet täysin suo-rassa kameraan kohti, mikä saattoi aiheuttaa epätarkkuutta. Lisäksi kamera pystyi tarkentamaan vain tietylle etäisyydelle, joten pisaraan tarkentaessa levyn reuna jäi sumeaksi.
5.2.3 Jäähdytyskokeet
Yksi kondensaatiotestien ongelmista oli se, ettei mitään dataa pystytty saamaan tes-tin aikana. Kameralla pystyttiin kuvaamaan testausta sivusuunnasta, mutta sillä ei saatu kondensaatioilmiöstä mitään kuvaa. Tämän takia päätettiin kokeilla uuden-laista testijärjestelmää. Tässä uudessa järjestelmässä kondensaatio käynnistettäisiin näytteen lämpötilaa alentamalla kosteuden nostamisen sijasta. Käytännössä tämä to-teutettiin hanskakaappiin asennetulla peltier-elementillä.
Uudessa testijärjestelmässä kameraan vaihdettiin normaalin objektiivin sijasta kaukomikroskoopin objektiivi. Kaukomikroskoopilla voidaan tarkentaa hyvin paljon kauemmas kuin normaalilla mikroskooppilla, jopa useiden kymmenien senttimetrien päähän. Tähän se tarvitsee kuitenkin paljon enemmän valoa kuin normaaliin kame-rakuvaukseen tarvittiin. Tämän takia mikroskoopin yläpuolelle asetettiin halogee-nilamppu, jonka avulla mikroskooppiin saatiin kuva. Kaukomikroskoopilla otettuja videoita esitetään myöhemmin osiossa Suoritetut kokeet.
Jotta mikroskoopin objektiivilla pystyttiin saamaan videokuvaa, täytyi näytesiru kääntää osoittamaan sitä kohti. Aiemmalla testijärjestelmällä se ei kuitenkaan onnis-tunut, koska vesipisaran pitäisi olla niin lähellä näytettä. Uudessa järjestelyssä se kui-tenkin oli mahdollista. Mittausjärjestelmä on esitetty kuvassa 11B. Peltier-elementin kuumenemisen estämiseksi se kiinnitettiin jäähdytyslevynä toimivaan kuparipalaan, jonka läpi laitettiin virtaamaan vesi. Tämän jälkeen näytesiru voitiin kiinnittää ele-menttiin, ja suunnata se kohti kameraa. Kaukomikroskoopilla pystyttiin kuvaamaan näytteen pintaa, missä pystyttiin heikosti näkemään pinnalla oleva nanoputkideposi-tio.