2.3. Определение размеров частиц
Рис. 3.5. Метод Дебая-Шеррера дифрак¬ции на порошке. Показана схема установ¬ки
(вверху), траектория рентгеновского пучка для брэгговского угла в (внизу слева)
и изображения дифракционных колец на фотопленке от конически расходящегося пучка
(внизу справа).
Эти зерна могут иметь размеры от типичных для наночастиц до много больших частиц
ми¬кронных масштабов, тесно связанных в поликристаллический материал. Это -
объемный, или кластеризованный, предельный случай. Противоположный пре¬дельный
случай - это зерна или наночастицы, находящиеся в некоем субстрате, так что
расстояния между ними больше их характерных размеров. Полезно знать, как можно
измерять размеры или диапазоны размеров таких диспергированных частиц.
Рис. 3.6. Микрофотография полианилиновых наночастиц в полимерной матрице,
сделанная на просвечивающем электронном микроскопе.
Самый прямой способ определения размеров микронных частиц - это применение
микроскопа. Для наночастиц эту функцию выполняет просве¬чивающий электронный
микроскоп. На рис. 3.6 показана микрофотография частиц с диаметром около 100 нм,
дис¬пергированных в полимерной матрице, сделанная на таком микроскопе.
Другой способ определения размеров частиц заключается в изучении рассе¬яния на
них света. Рассеяние зависит от соотношения размеров частиц d и дли¬ны волны
падающего света λ , а также от его поляризации. Например, рассеяние белого света
с длинами волн в диапазоне от 400 нм (синего) до 750 нм (красно¬го) на молекулах
азота и кислорода с размерами 0,11 и 0,12нм соответственно объясняет, почему
днем небо кажется голубым, а солнце на рассвете и закате — красным.
При определении размеров частиц используется монохроматический (с од¬ной длиной
волны) лазерный луч, который рассеивается на определенный угол
Рис. 3.7. Измерения распределения размеров частиц проводящего полимера,
дис¬пергированного в органической жидкости, при освещении лазерным лу¬чом.
Размеры лежат в диапазоне от 9 до 30 нм с максимумом при 12 нм.
(обычно 90°) при параллельной и перпендикулярной поляризации. Измерение
интенсивностей рассеяния дает размер частиц, их концентрацию и показатель
преломления. Для интерпретации данных о рассеянии на частицах с размерами
d<0.1λ, что имеет место при рассеянии видимого света наночастичами,
исполь¬зуется теория Рэлея. Пример определения размеров наночастиц органической
су¬спензии с размерами от 9 до 30 нм и максимумом при 12 нм методом рассеяния
лазерного луча показан на рис. 3.7. Метод применим к наночастичам с размерами
более 2 нм. Для меньших частиц следует использовать другие методы.
Частицы с размерами менее 2 нм удобно измерять масс-спектрометром. Схе¬ма
типичного газового масс-спектрометра показана на рис. 3.8
Рис. 3.8. Схема масс-спектрометра,
Описанный масс-спектрометр использует стандартную конфигурацию маг¬нитного поля
масс-анализатора. Современные масс-спектрометры могут иметь другие конфигурации
поля, например квадрупольную, или масс-спектрометр на основе измерения времени
пролета, у которого каждый ион получает одинако¬вую кинетическую энергию mv2/2
во время ускорения в ионизационной камере, так что более легкие ионы движутся
быстрее и достигают детектора раньше, чем более тяжелые ионы, обеспечивая таким
способом разрешение по массе.