Несферические наночастицы можно легко идентифицировать и охарактеризовать по их размеру, морфологии и распределению с помощью метода PIDLS.
Авторы и права: Тяньи Цай, Шанхайский университет науки и технологий.

На характеристики наночастиц часто влияют такие факторы, как размер и форма частиц. Традиционно для анализа размера и морфологии наночастиц используется электронная микроскопия или атомно-силовая микроскопия. Тем не менее, этот подход создает проблемы, такие как сложная подготовка образцов, длительная обработка и трудности с получением количественных характеристик. Быстрый, точный и статистически значимый метод измерения размера и морфологии наночастиц будет способствовать смежной отрасли.

В отличие от методов электронной микроскопии и атомно-силовой микроскопии, метод PIDLS не измеряет напрямую размер и морфологию наночастиц. Фактически, PIDLS можно рассматривать как комбинацию метода визуализации динамического рассеяния света (IDLS) и метода рассеяния поляризованного света (PLS).

Облучая образец наночастиц поляризованным лазерным лучом, поляризованная камера принимает рассеянный свет и получает изображения рассеяния в направлениях поляризации 0°, 45°, 90° и 135°. Из-за непрерывного случайного броуновского движения частиц пространственное положение и ориентация частиц постоянно меняются, что приводит к флуктуациям интенсивности и состояния поляризации рассеянного света.

Согласно уравнению Стокса-Эйнштейна скорость флуктуаций интенсивности рассеянного света связана с размером частиц, а согласно теории светорассеяния состояние поляризации рассеянного света связано с морфологией частиц. Вычисляя пространственную корреляцию двух последовательных изображений рассеяния в направлении поляризации 0°, можно определить скорость флуктуаций интенсивности рассеянного света и, таким образом, определить размер частиц.

Непрерывные измерения могут предоставить несколько результатов измерения размера частиц, включая среднее значение и индекс полидисперсности. Путем анализа интенсивности рассеянного света из четырех поляризационных изображений в направлениях поляризации 0°, 45°, 90° и 135°, полученных одновременно, можно получить степень линейной поляризации (называемую в этой статье оптической сферичностью), по которому можно оценить степень приближения частиц к сфере.

Значение 1 указывает на идеальную сферу, а меньшее значение указывает на большее отклонение от сферы. Непрерывные измерения могут обеспечить оптическую сферичность наночастиц, таким образом получая статистическое морфологическое распределение.

В данном исследовании измерения проводились на сферических, октаэдрических, плоских, стержнеобразных и нитевидных наночастицах. Результаты по размеру, морфологии и распределению частиц, полученные с помощью метода PIDLS, соответствовали результатам, полученным с помощью электронной микроскопии, что свидетельствует об эффективности предложенного метода.

В исследовании также были измерены пять порошков диоксида титана промышленного качества и успешно идентифицированы образцы со значительно большими размерами частиц, более низкой оптической сферичностью и плохой консистенцией как по размеру, так и по морфологии. Это подчеркивает потенциальное применение метода PIDLS для контроля качества нанопорошков.

«Это исследование предоставляет новый инструмент для оценки морфологии наночастиц», — сказал Сяошу Цай, профессор Шанхайского университета науки и технологий. Метод PIDLS можно проводить при комнатной температуре и атмосферном давлении в жидкофазной среде практически без подготовки образца. Благодаря своей простоте и высокой скорости измерения метод PIDLS имеет большой потенциал для широкого применения в синтезе наноматериалов в лабораториях, производстве нанопорошков на заводах и во многих других передовых областях.

«На следующем этапе наша исследовательская группа дополнительно подтвердит универсальность оптической сферичности. Кроме того, мы планируем дополнительно исследовать взаимосвязь между морфологией частиц и картинами рассеяния в дальней зоне на основе теории поляризационного рассеяния, стремясь достичь классификации частиц (морфология)» — сказал Цай.

Таким образом, исследователи могут расширить сценарии применения PIDLS и улучшить потенциал для практических приложений. «Наша исследовательская группа постоянно занимается многопараметрическими измерениями и онлайн-измерениями частиц, а также постоянно разрабатывает новые методы и устройства измерения», — сказал Цай.