Yksiseinäisten hiilinanoputkien kemiallinen modifiointi alkalimetallipelkistyksellä

Hiilinanoputket ovat mielenkiintoinen materiaali, koska ne ovat huomattavasti vahvempaa, mutta kevyempää kuin teräs ja ne johtavat paremmin sähköä kuin esimerkiksi kupari. Lisäksi hiilinanoputket kestävät korkeampia lämpötiloja kuin monet muovit tai metallit ja johtavat paremmin lämpöä kuin timantti. Myös niiden rakenne on erityinen. Yksiseinäiset hiilinanoputket ovat yhden atomikerroksen paksuisia putkimaisia molekyylejä. Moniseinäiset hiilinanoputket koostuvat useista sisäkkäisistä hiilinanoputkista. Hiilinanoputket voivat olla jopa senttimetrien pituisia, vaikka niiden halkaisija on nanometrien luokkaa eli ihmisen hiuksen paksuus voi vastata jopa sataatuhatta kimppuun laitettua hiilinanoputkea.

Ainutlaatuisen ominaisuuksien kokoelman vuoksi hiilinanoputket ovat lupaava materiaali lukuisiin sovelluksiin eri tieteen ja teknologian aloilla. Mielenkiintoisia mahdollisia hiilinanoputkisovelluksia ovat muun muassa taipuisat, ohuet ja kirkkaat näytöt, litium-ionibatterit ja muut energiasovellukset sekä kestävät ja sähköä sekä lämpöä johtavat kankaat, joista voidaan valmistaa älykkäitä, elintoimintoja valvovia ja mahdollisesti jopa sääteleviä vaatteita.

Hiilinanoputkimateriaali ei kuitenkaan liukene tai sekoitu hyvin muihin kemikaaleihin, mikä haittaa niiden tehokasta hyödyntämistä. Hiilinanoputkien käytettävyyttä voidaan parantaa muokkaamalla niiden pintaa kemiallisilla reaktioilla, jotka tekevät niistä liukoisia.

Tässä väitöstyössä yksiseinäisten hiilinanoputkien pintaa muokattiin alkalimetallipelkistyksellä, joka perustuu alkalimetallin (litium, natrium, kalium) käyttöön nestemäisessä ammoniakissa. Työssä käytetty menetelmä lisäsi hiilinanoputkien liukoisuutta erilaisiin liuottimiin, kuten veteen ja alkoholeihin. Työssä tutkittiin erilaisten reaktio-olosuhteiden vaikutusta hiilinanoputkien rakenteeseen ja liukoisuuteen. Havaittiin, että reaktio-olosuhteiden valinnalla voidaan säädellä hiilinanoputkien pinnan muutoksia sekä räätälöidä liukoisuutta.

Työssä käytetyllä menetelmällä parannettiin myös hiilinanoputkien sekoittumista polystyreeniin. Polystyreeni on yksi yleisimmin käytetyistä muoveista ja sitä käytetään esimerkiksi CD- ja DVD-levykoteloissa ja kertakäyttöastioissa. Hiilinanoputkien tasainen sekoittaminen polystyreeniin mahdollistaa polystyreenin sähkönjohtavuuden sekä muiden ominaisuuksien parantamisen ja sitä kautta esimerkiksi uudenlaisten, elintarvikkeiden laaduntarkkailua ja -parantamista helpottavien älykkäiden pakkausten kehittämisen.

Lisäksi väitöstyössä tutkittiin nestemäisen ammoniakin korvaamista uudella liuottimella, diglyymillä, koska nestemäinen ammoniakki on erittäin vaarallinen kemikaali. Tässä työssä diglyymin käyttö mahdollisti turvallisemman, helpomman ja tehokkaamman alkalimetallipelkistykseen perustuvan menetelmän hiilinanoputkien kemialliseen muokkaamisen.