Là một trong những thông số đặc trưng quan trọng nhất củabột nano, kích thước hạt ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất vật lý và hóa học của bột, sau đó ảnh hưởng đến hiệu suất của sản phẩm cuối cùng. Do đó, công nghệ phát hiện của nó là một công cụ quan trọng trong sản xuất công nghiệp và quản lý chất lượng, đồng thời đóng vai trò không thể thay thế trong việc cải thiện chất lượng sản phẩm, giảm chi phí sản xuất và đảm bảo an toàn và hiệu quả của sản phẩm. Bài viết này sẽ bắt đầu từ nguyên lý và so sánh ba phương pháp phổ biến để phát hiện kích thước hạt bột: kính hiển vi điện tử, phân tích kích thước hạt laser và phương pháp đo độ rộng vạch nhiễu xạ tia X, đồng thời phân tích ưu điểm, nhược điểm và khả năng ứng dụng của các phương pháp kiểm tra kích thước hạt khác nhau .
1, Phương pháp kính hiển vi điện tử
Kính hiển vi điện tử là kỹ thuật đo kích thước hạt có độ phân giải cao, chủ yếu được chia thành kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và kính hiển vi điện tử quét (SEM).
Kính hiển vi điện tử quét (SEM)
Hình ảnh kính hiển vi điện tử quét sử dụng chùm tia điện tử năng lượng cao tập trung tinh vi để kích thích các tín hiệu vật lý khác nhau trên bề mặt mẫu, chẳng hạn như các electron thứ cấp, các electron tán xạ ngược, v.v. Các tín hiệu này được phát hiện bởi các máy dò tương ứng và cường độ của tín hiệu tương ứng đến hình thái bề mặt của mẫu. Do đó, hình ảnh từng điểm có thể được chuyển đổi thành tín hiệu video để điều chỉnh độ sáng của ống tia âm cực nhằm thu được hình ảnh 3D về hình thái bề mặt của mẫu. Do bước sóng nhỏ hơn của chùm tia điện tử nên có thể quan sát được các đặc điểm/chi tiết tinh tế của vật liệu ở mức độ lớn hơn. Hiện nay, kính hiển vi điện tử quét có thể phóng to hình ảnh vật thể lên hàng trăm nghìn lần kích thước ban đầu của chúng, cho phép quan sát trực tiếp kích thước và hình thái hạt. Độ phân giải tối ưu có thể đạt tới 0,5nm. Ngoài ra, sau sự tương tác giữa chùm electron và mẫu, các tia X đặc trưng với năng lượng đặc biệt sẽ được phát ra. Bằng cách phát hiện các tia X này, thành phần nguyên tố của vật liệu được thử nghiệm cũng có thể được xác định.
Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
Kính hiển vi điện tử truyền qua chiếu chùm tia điện tử được gia tốc và tập trung lên một mẫu rất mỏng, tại đó các electron va chạm với các nguyên tử trong mẫu và đổi hướng, dẫn đến tán xạ góc rắn. Do mối tương quan giữa góc tán xạ với mật độ và độ dày của mẫu, có thể hình thành các hình ảnh có độ sáng và độ tối khác nhau, sẽ hiển thị trên thiết bị chụp ảnh sau khi phóng đại và lấy nét.
So với SEM, TEM sử dụng CCD để chụp ảnh trực tiếp lên màn huỳnh quang hoặc màn hình PC, cho phép quan sát trực tiếp cấu trúc bên trong của vật liệu ở cấp độ nguyên tử, với độ phóng đại hàng triệu lần và độ phân giải cao hơn, độ phân giải tối ưu <50pm . Tuy nhiên, do nhu cầu về điện tử truyền qua, TEM thường có yêu cầu cao đối với mẫu, có độ dày thường dưới 150nm, càng phẳng càng tốt và kỹ thuật chuẩn bị không được tạo ra bất kỳ hiện vật nào trong mẫu (như kết tủa hoặc vô định hình) . Đồng thời, hình ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) là hình chiếu 2D của mẫu, điều này làm tăng khó khăn cho người vận hành trong việc diễn giải kết quả trong một số trường hợp.
2, Phương pháp phân tích kích thước hạt laser
Phương pháp phân tích kích thước hạt laser dựa trên lý thuyết nhiễu xạ Fraunhofer và tán xạ Mie. Sau khi chiếu tia laser lên các hạt, các hạt có kích thước khác nhau sẽ tạo ra mức độ tán xạ ánh sáng khác nhau. Các hạt nhỏ có xu hướng tán xạ ánh sáng ở phạm vi góc rộng, trong khi các hạt lớn có xu hướng tán xạ nhiều ánh sáng hơn ở phạm vi góc nhỏ hơn. Do đó, sự phân bố kích thước hạt có thể được kiểm tra bằng cách phân tích hiện tượng nhiễu xạ hoặc tán xạ của hạt. Hiện nay, máy phân tích kích thước hạt laser được chia thành hai loại: tán xạ ánh sáng tĩnh và tán xạ động.
Phương pháp tán xạ ánh sáng tĩnh
Phương pháp tán xạ ánh sáng tĩnh là phương pháp đo sử dụng chùm tia laser đơn sắc, kết hợp để chiếu xạ dung dịch hạt không hấp thụ dọc theo hướng tới. Bộ tách sóng quang được sử dụng để thu thập các tín hiệu như cường độ và năng lượng của ánh sáng tán xạ và thông tin được phân tích dựa trên nguyên lý tán xạ để thu được thông tin về kích thước hạt. Do phương pháp này thu được thông tin tức thời trong một lần nên nó được gọi là phương pháp tĩnh. Công nghệ này có thể phát hiện các hạt có kích thước từ dưới micromet đến milimet, với phạm vi đo cực rộng cũng như nhiều ưu điểm như tốc độ nhanh, độ lặp lại cao và phép đo trực tuyến. Tuy nhiên, đối với các mẫu kết tụ, kích thước hạt phát hiện thường quá lớn. Do đó, việc sử dụng công nghệ này đòi hỏi độ phân tán mẫu cao và có thể thêm chất phân tán hoặc hộp siêu âm để hỗ trợ phân tán mẫu. Ngoài ra, theo nguyên lý tán xạ Rayleigh, khi kích thước hạt nhỏ hơn nhiều so với bước sóng của sóng ánh sáng thì kích thước hạt không còn ảnh hưởng đến sự phân bố góc của cường độ tương đối của ánh sáng tán xạ. Trong trường hợp này, không thể sử dụng phương pháp tán xạ ánh sáng tĩnh để đo.
Bất kỳ hạt nào lơ lửng trong chất lỏng sẽ liên tục trải qua chuyển động không đều, được gọi là chuyển động Brown và cường độ chuyển động của nó phụ thuộc vào kích thước của hạt. Trong cùng điều kiện, chuyển động Brown của các hạt lớn là chậm, trong khi chuyển động của các hạt nhỏ là mãnh liệt. Phương pháp tán xạ ánh sáng động dựa trên nguyên tắc khi các hạt trải qua chuyển động Brown, tổng cường độ ánh sáng tán xạ sẽ dao động và tần số ánh sáng tán xạ sẽ thay đổi, do đó đạt được phép đo kích thước hạt bằng cách đo mức độ suy giảm của cường độ ánh sáng tán xạ hoạt động theo thời gian.
3, Phương pháp mở rộng nhiễu xạ tia X (XRD)
Khi một electron tốc độ cao va chạm với một nguyên tử mục tiêu, electron đó có thể đánh bật một electron trên lớp K bên trong hạt nhân và tạo ra một lỗ trống. Lúc này, electron bên ngoài có năng lượng cao hơn chuyển sang lớp K, và năng lượng giải phóng được phát ra dưới dạng tia X (tia K-series, trong đó các electron chuyển từ lớp L sang lớp K gọi là K α) . Thông thường, các mẫu nhiễu xạ độc đáo có thể được tạo ra dựa trên các yếu tố như thành phần vật liệu, dạng tinh thể, chế độ liên kết nội phân tử, cấu hình phân tử và hình dạng.
Theo công thức của Xie Le, kích thước của hạt có thể được xác định bằng mức độ mở rộng của dải nhiễu xạ tia X. Hạt càng nhỏ thì các vạch nhiễu xạ của nó sẽ càng khuếch tán và mở rộng. Do đó, độ rộng của các đỉnh nhiễu xạ trong mẫu nhiễu xạ tia X có thể được sử dụng để ước tính kích thước tinh thể (kích thước hạt). Nói chung, khi các hạt là các tinh thể đơn lẻ, phương pháp này sẽ đo kích thước hạt. Khi các hạt ở dạng đa tinh thể, phương pháp này đo kích thước hạt trung bình của từng hạt tạo nên một hạt duy nhất.
Công thức Xie Le (trong đó K là hằng số Xie Le, thường là 0,89, β là chiều cao nửa chiều rộng cực đại nhiễu xạ, θ là góc nhiễu xạ và λ là bước sóng tia X)
Tóm lại,
Trong số ba phương pháp phát hiện thường được sử dụng, kính hiển vi điện tử có thể cung cấp hình ảnh trực quan của các hạt và phân tích kích thước hạt của chúng, nhưng nó không phù hợp để phát hiện nhanh. Phương pháp phân tích kích thước hạt bằng laser sử dụng hiện tượng tán xạ ánh sáng của các hạt, có ưu điểm về tốc độ và độ chính xác nhưng đòi hỏi yêu cầu cao về chuẩn bị mẫu. Quy tắc độ rộng phổ nhiễu xạ tia X không chỉ được sử dụng để đo kích thước hạt của vật liệu nano mà còn cung cấp thông tin về pha và cấu trúc tinh thể toàn diện mà còn phức tạp hơn trong việc phân tích vật liệu của các hạt có kích thước lớn.
