Niet-sferische nanodeeltjes kunnen gemakkelijk worden geïdentificeerd en gekarakteriseerd op basis van hun grootte, morfologie en distributies met behulp van de PIDLS-methode. Credits: Tianyi Cai, Universiteit van Shanghai voor Wetenschap en Technologie
Een team van onderzoekers stelde een snelle en handige methode voor, genaamd gepolariseerde beeldvormende dynamische lichtverstrooiing (PIDLS), die tegelijkertijd de grootte, morfologie en distributie van nanodeeltjes kwantitatief evalueert. Een dimensieloze grootheid, genaamd optische sfericiteit, wordt voorgesteld om de mate van afwijking van nanodeeltjes van bollen te beschrijven. Deze methode zal in grote mate bijdragen aan in-situ synthese, structuur-functieanalyse en kwaliteitsbeoordeling van nanodeeltjes.
Het team van Chinese onderzoekers van de Universiteit van Shanghai voor Wetenschap en Technologie en Jiaxing MeaParTech Instrument Technology Co., Ltd publiceerden hun werk in het tijdschrift Particuologie.
De prestaties van nanodeeltjes worden vaak beïnvloed door factoren als deeltjesgrootte en -vorm. Traditioneel wordt elektronenmicroscopie of atoomkrachtmicroscopie gebruikt voor analyse van de grootte en morfologie van nanodeeltjes. Desalniettemin brengt deze aanpak uitdagingen met zich mee, zoals complexe monstervoorbereiding, tijdrovende verwerking en moeilijkheden bij het bereiken van kwantitatieve karakterisering. Een snelle, nauwkeurige en statistisch zinvolle methode om de grootte en morfologie van nanodeeltjes te meten, zal de gerelateerde industrie vergemakkelijken.
In tegenstelling tot methoden voor elektronenmicroscopie en atoomkrachtmicroscopie, meet de PIDLS-methode niet rechtstreeks de grootte en morfologie van nanodeeltjes. In feite kan PIDLS worden gezien als een combinatie van de beeldvormende dynamische lichtverstrooiing (IDLS)-methode en gepolariseerde lichtverstrooiing (PLS)-methode.
Door een monster van nanodeeltjes te verlichten met een gepolariseerde laserstraal, ontvangt een gepolariseerde camera het verstrooide licht en verkrijgt verstrooiingsbeelden in de polarisatierichtingen 0°, 45°, 90° en 135°. Vanwege de continue willekeurige Brownse beweging van de deeltjes variëren de ruimtelijke posities en oriëntaties van de deeltjes constant, wat resulteert in fluctuaties in de intensiteit en polarisatietoestand van het verstrooide licht.
Volgens de Stokes-Einstein-vergelijking is de snelheid van intensiteitsfluctuaties in het verstrooide licht gerelateerd aan de deeltjesgrootte, en volgens de lichtverstrooiingstheorie is de polarisatietoestand van het verstrooide licht gerelateerd aan de deeltjesmorfologie. Door de ruimtelijke correlatie van twee opeenvolgende verstrooiingsbeelden in de 0° polarisatierichting te berekenen, kan de snelheid van intensiteitsfluctuaties in het verstrooide licht worden bepaald, en zo kan de deeltjesgrootte worden bepaald.
Continue metingen kunnen meetresultaten voor meerdere deeltjesgrootten opleveren, waaronder de gemiddelde waarde en de polydispersiteitsindex. Door de intensiteit van verstrooid licht te analyseren van vier polarisatiebeelden in 0°, 45°, 90° en 135° polarisatierichtingen die tegelijkertijd zijn genomen, kan de mate van lineaire polarisatie (in dit artikel optische sfericiteit genoemd) worden verkregen. , die kan worden gebruikt om de mate van benadering van deeltjes tot een bol te evalueren.
Een waarde van 1 geeft een perfecte bol aan, terwijl de kleinere waarde aangeeft hoe meer afwijking van een bol. Continue metingen kunnen de optische sfericiteit van de nanodeeltjes bepalen, waardoor een statistische morfologische verdeling wordt verkregen.
In deze studie werden metingen uitgevoerd aan sferische, octaëdrische, platte, staafvormige en filamenteuze nanodeeltjes. De resultaten van deeltjesgrootte, morfologie en verdelingen verkregen met de PIDLS-methode waren consistent met die verkregen met elektronenmicroscopie, wat de effectiviteit van de voorgestelde methode aantoont.
De studie mat ook vijf titaniumdioxidepoeders van industriële kwaliteit en identificeerde met succes de monsters met aanzienlijk grotere deeltjesgroottes, lagere optische sfericiteit en slechte consistentie in zowel grootte als morfologie. Dit benadrukt de mogelijke toepassing van de PIDLS-methode bij de kwaliteitscontrole van nanopoeders.
“Deze studie biedt een nieuw hulpmiddel voor het evalueren van de morfologie van nanodeeltjes”, zegt Xiaoshu Cai, een professor aan de Universiteit van Shanghai voor Wetenschap en Technologie. De PIDLS-methode kan worden uitgevoerd bij kamertemperatuur en atmosferische druk in een vloeistoffase-omgeving met nauwelijks monstervoorbereiding. Met zijn eenvoud en hoge meetsnelheid heeft de PIDLS-methode een groot potentieel voor wijdverbreide toepassing bij de synthese van nanomaterialen in laboratoria, de vervaardiging van nanopoeders in planten en vele andere geavanceerde gebieden.
“In de volgende stap zal ons onderzoeksteam de universaliteit van de optische sfericiteit verder valideren. Daarnaast zijn we van plan om de relatie tussen deeltjesmorfologie en verstrooiingspatronen in het verre veld verder te onderzoeken op basis van polarisatieverstrooiingstheorie, met als doel de classificatie van deeltjes te bereiken morfologie,” zei Cai.
Op deze manier kunnen de onderzoekers de toepassingsscenario’s van PIDLS uitbreiden en het potentieel voor praktische toepassingen verbeteren. “Onze onderzoeksgroep richt zich consequent op multi-parametermeting en online meting van deeltjes, en ontwikkelt voortdurend nieuwe meetmethoden en apparaten”, aldus Cai.
Meer informatie:
Bingyao Wang et al., Dynamische lichtverstrooiing met gepolariseerde beeldvorming voor gelijktijdige meting van de grootte en morfologie van nanodeeltjes, Particuologie (2023). DOI: 10.1016/j.partic.2023.06.004
Aangeboden door Particuology
