第五章 實驗結果與討論
5.4 奈米碳管分散液
我們使用的奈米碳管(carbon nanotubes, CNT)s 是 Multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs)，由 Hanwha Chemical 製造。層數約為 10 層，直徑約 12nm，長寬比(aspect ratio) 2K。其穿透式電子顯微鏡(TEM)圖如下[29]。
5.4.1 CNTs 分散液 (經超音波震洗) 5.4.1.1 樣品配製
我們用過量的CNTs 與超純水混合，隨後放入大功率的超音波震洗機震洗約 20 分鐘，隨後放入樣品槽量測。
由亮場的顯微觀測中，我們可以發現CNTs 自己形成了許多聚集顆粒，如圖 (5.20) 所示。這些顆粒將提供我們足夠的散射光強，因此我們並沒有額外加入追 蹤粒子。
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圖(5.20) CNTs 分散液明場照明影像。
5.4.1.2 DLS
我 們在 𝜃 = 20° 量測散射光的漲落，收光的感興趣區域約為 0.1mm × 0.1mm ，實驗時間控制在預估的衰減時間的 10 倍左右，並做許多組實驗，以達 足夠的平均。我們也使用像素合併，以使收光的訊號更強。實驗結果如圖(5.21)。
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圖(5.21) 在 CNTs 分散液中，CNTs 聚集成的球狀物做布朗運動所造成的光強漲 落的 𝑔2。
從 𝑔2 的圖中，可以看出它並非單一指數衰減，故先將其轉換 MSD，如圖(5.22)。
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圖(5.22) CNTs 聚集成的球狀物在 CNTs 分散液中作布朗運動所得的 𝑔2 轉換成的 MSD。
從MSD 中可以看出，其 0.01~0.03 s 以前的斜率約為 1.5，這在理論中是不 可能發生的。而要了解發生甚麼事，這時我們可以同時觀察實空間的技術可以提 供更多的資訊！在顯微鏡的觀測中，我們可以發現雷射的照射引起CNTs 聚集的 顆粒相當強的流場，在散射體積之中CNTs 聚集顆粒的流速可達 1cm/s。觀察到 這個現象或許可以解釋為何前段的 MSD 斜率大於 1。後段的 MSD 出現了次級 擴散的現象，斜率約為 2/3，顯示此 CNTs 的聚集顆粒，其微弱的結構造成了一 些微弱的彈性，在熱擾動的應力尺度之下，是可以被微流變的技術觀察到。
一些更有趣的結果，可以在探討尺度對量測到的結果有何影響時得到。首先，
我們將 𝑔2 的橫軸，改成 q ∗ t0.8 ，結果如圖(5.23)所示。
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圖(5.23) 改變橫軸後，CNTs 分散液的 𝑔2。
對於 MSD 我們可以將橫軸改成 qt ，如圖(5.24)所示。
圖(5.24) 改變橫軸後，CNTs 分散液的 MSD
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兩張圖中不同散射角度所量到的數據，竟然都幾乎可以重疊！這些跡象，都 說明了CNTs 可能有碎形的結構存在，因此我們可以找到一些尺度，如 𝑞𝑡 或 𝑞𝑡0.8， 使量測到的數據重疊在一起，顯示可能有標度不變的行為(scaling behavior)。
為了證實這個想法，我們將 CNTs 分散液拿去做 X 光的小角度散射(國家同 步輻射研究中心-臺灣光源-23A)，結果如圖(5.25)。在 𝑞 = 0.01附近時的斜率約為 2，這說明了 CNTs 分散液確實有碎形結構。
圖(5.25) CNTs 分散液的小角度 X 光散射結果。在小角度的地方斜率約為-2，可 以看出樣品具有碎形結構的特徵。此實驗為國家同步輻射研究中心-臺灣光源-23A(NSRRC-TLS-23A)所作。
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5.4.2 CNTs 分散液 (超音波震洗後靜置 5 天) 5.4.2.1 樣品配製
我們用過量的 CNTs 與超純水混合，隨後放入大功率的超音波震洗機震洗約 20 分鐘。在 CNTs 分散液裡，我們並沒有額外加入追蹤粒子。靜置 5 天後，放 入樣品槽量測。
透過明場顯微觀察，我們可以發現有 CNTs 聚集成了十分巨大的結構，如圖 (5.25)所示。
圖(5.25) CNTs 分散液明場照明影像。
5.4.2.2 DLS
我 們在 𝜃 = 20° 量測散射光的漲落，收光的 感興趣區域 約為 0.1mm × 0.1mm ，實驗時間控制在預估的衰減時間的 10 倍左右，並做許多組實驗，以達 足夠的平均。我們也使用像素合併，以使收光的訊號更強。實驗結果如圖(5.26)。
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圖(5.26) 在 CNTs 分散液中，CNTs 聚集成的球狀物做布朗運動所造成的光強漲 落的 𝑔2。
從 𝑔2 的圖中，可以看出它並非單一指數衰減，故先將其轉換 MSD，如圖(5.27)。
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圖(5.27) CNTs 聚集成的球狀物在 CNTs 分散液中作布朗運動所得的 𝑔2 轉換成的 MSD。
從MSD 中可以看出，其斜率均大於 1，這一樣可以由雷射照射所引起的流場 來解釋。與圖(5.22)不一樣的地方是在 0.01 s 後，此處的斜率反而更大了，變成
≥ 2。這使得我們必須回去看 𝑔2 在那附近的情況，放大檢視如圖(5.28)。
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圖(5.28) 圖(5.26)在 0.01 秒後的放大圖與擬和曲線比較。𝑔2的週期性震盪行為可 用紅線的餘弦函數近似其週期，且漸漸收斂至 𝑔2 = 1.02。
從圖中我們可以發現， 𝑔2 發生了週期約 0.03 秒的週期性的行為，且振幅漸 漸衰減到1.02。若對照實空間的觀察(圖(5.25))，可以推測這 𝑔2 的行為來自流場 在散射體積周圍所造成的環流，有較大顆的 CNTS 聚集體被此環流週期性地帶 進及帶出散射體積，因此貢獻了週期性的散射光。這也能解釋，我們在MSD 0.01 秒後看到的斜率為 2 的現象，是受到了此週期的影響，因此被拉高，而不是像 4.4.1 節中的變為 2/3。