文献综述
纳米科学与技术起始于上世纪80年代,简称为纳米技术,其研究范围为0.1nm~100nm[1,2]。在纳米尺度下,物质具有量子尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等特点,展现出与宏观尺度下物质的物理、化学、光学、力学、生物学等不同或宏观不具备的特性。纳米科技的发展加深了人们对物质构成和性能的认识,使人类的微观感知和操控能力达到了空前的水平。通过纳米科技,人们可以在分子、原子水平上设计并制造具有全新性质和功能的材料及器件。促使材料、能源、环境、微电子、生物和医药等产业领域发生了重大变革,推动了传统产业的升级换代和战略性新兴产业的建立[3]。据美国推测,2014年世界纳米科技产业市场规模将达到2.6万亿美元[4、5]。纳米科技日新月异的发展正在展现其强大的生命力和对社会经济发展的推动作用,连同其他新兴科技的发展,正在成为提升国家未来核心竞争力的重要手段和推动世界各国经济发展的主要驱动力。而纳米颗粒作为纳米科学技术的重要组成部分,其研究和应用也越来越广泛,纳米颗粒所具有的特殊的电、磁、光、声等方面的特性,使得对于亚微米和纳米颗粒的测量具有特别重要的意义[3],并且已经逐渐发展成为现代测量学中的一个重要分支。为此许多关于纳米颗粒测量方法的研究应运而生。目前可用于测定纳米颗粒粒径的方法有透射电镜(TEM)观察法、扫描电镜(SEM)观察法、X射线衍射线宽法( 谢乐公式 )、X 射线小角散射法、BET、脉冲超声波、比表面积法、离心沉降法、动态光散射法等[6-11]。
TEM观察法和SEM观察法是研究纳米材料微观结构的重要方法,利用透射电子显微镜和扫描电镜观察具有一定的直观性与可信性。但是,电镜观察所用纳米粉体很少,有可能会导致观察到的粉体的粒子分布范围并不代表整体粉体的粒径范围,使测量结果缺乏统计性。其次,对一些在强电子束轰击下不稳定甚至分解的纳米颗粒以及制样困难的生物和微乳等样品较难得到准确的结果,而且透射电镜和扫描电镜自身市场保有率低,成本很高。X 射线衍射线宽法 ( 谢乐公式 ),通过分析待测试样的 X 射线衍射峰,不仅可以知道物质的化学成分,还能知道它们的存在状态[12],但该法只适用晶态的纳米粒子晶粒度的评估。当晶粒小于10nm 时,其衍射峰随晶粒尺寸的变化而显著宽化,而当晶粒大于100nm时,其衍射峰的宽度随晶粒大小的变化就不敏感了[13]。动态光散射(DLS)是通过研究散射光在某一固定空间位置上散射光强随时间的涨落现象来获取混杂在其中的待测颗粒粒径的有效技术。但是由于光的穿透性和折射率问题的限制[14],使得动态光散射法在测量透光性较差(主要体现在高浓度悬浊液)以及与水的折射率相近的颗粒粒度时并不理想。超声波法测量粒径范围宽、测量速度快。但是为了准确计算和反演超声衰减谱,需要先得到理论模型所需的被测样品中各项的多个物理参数,而某些参数很难从文献中获得,实验中也很难测量[15],这就给测量过程造成了一定的困难。
激光粒度分析法是一种对大量纳米颗粒测量后,得到的大量统计测量结果的方法,这样测量的结果更加具有说服力,更加的精确与全面。在测试过程中,它还具有测试结果重复性好,测试效率高,操作简单的优点,并且激光粒度分析法相比较于其他方法成本不高。激光粒度分析法是基于 Fraunhofer 衍射和 Mie 氏散射理论,光束入射到颗粒上时将向空间四周散射,光的各个散射参数则与颗粒的粒径密切相关,这就为颗粒测量提供了一个尺度。可用于确定颗粒粒径的散射参数有:散射光强的空间分布、散射光能的空间分布、散射光的偏振度等。通过测量这些与颗粒粒径密切相关的散射参数及其组合,可以得到粒径大小和分布。目前,市场上光散射式颗粒测量仪的型式种类很多。但其工作原理基本一致,来自光源的光束照射到含有待测颗粒的某一空间,在光与颗粒的相互作用下产生光的散射。与颗粒粒径相关的散射光信号由光电检测器接收并转换成电信号,经放大器放大后由接口送入计算机进行处理。计算机按编制的软件对所接收的散射光信号进行处理,即可从中得到颗粒大小及分布的信息[16]。激光粒度分析仪还分为激光衍射式和激光动态散射式两类,一般衍射式粒度仪适于对粒度在5mu;m以上的样品分析,而动态激光散射仪则对粒度在5mu;m 以下的纳米、亚微米颗粒样品分析较为准确,所以纳米粒子的测量一般采用动态激光散射仪[7]。但是,激光粒度仪测量也有的不足的地方,在测量过程中复折射率的选择合适与否直接影响到粒度检测结果的准确性与可靠性,而影响待测颗粒复折射率的因素较多,难以确定其准确值。比如,粉体粒子的复折射率与其组分、纯度、所含杂质性质、温度和表面状况有关。而粉体粒子的比表面积大,且常常拌有偏析和团聚的现象,导致粒子状况复杂[17]。在本课题中,就是基于激光粒度仪研究纳米粒子的聚集如何影响粒度表征结果,为正确地使用激光粒度仪进行纳米粒子的粒度表征提供依据。
参考文献
[1]任红轩, 鄢国平. 纳米科技发展宏观战略[M]. 化学工业出版社, 2008.
[2]王书运. 纳米颗粒的测量与表征[J]. 微纳电子技术, 2005, 42(1):37-41.
[3]闫金定. 我国纳米科学技术发展现状及战略思考[J]. 科学通报, 2015, 60(1):30-37.
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