مقدمه
ذرات فلزی با اندازه نانو نقش مهمی را در مهندسی مواد ایفا می کنند چون که ویژگیهای ذرات با اندازه نانو با ویژگیهای بقیه مواد متفاوت است ]1[
توزیع اندازه ذرات نانو با استفاده از تکنیک میکروسکوپ TEM قابل اندازه گیری است TEM یک تکنیک فوق العاده مفید برای حصول اطلاعاتی نظیر توزیع اندازه ذره ، اندازه متوسط ذره و شکل ذرات نانو است ]1[
اندازه گیری TEM نیاز به عملیات پیچیده برای آماده سازی نمونه و مهارت بالای اپراتور دارد و زمان اندازه گیری طولانی است بعلاوه تکنیک TEM یک روش اندازه گیری در محل (In situ) نیست و تعداد ذرات اندازه گیری شده از فتوگراف ، در اغلب موارد از اندازه گیریهای تئوریکی کمتر است ]1[
بنابراین اکثر محققان در ارتباط با نانو تکنولوژی در جستجوی یک روش مناسب و یک روش In situ برای اندازه گیری توزیع ذرات نانو بودند این روشها بر اساس پراکندگی در زوایای کوچک استوار بود ]1[
Small-angle scattering =SAS
SAX در واقع یک نام کلی است که برای مجموعه ای از تکنیکهای زیر بکار می رود]2[
Small-angle Light Scattering (SALS)
Small-angle x-Ray scattering (SAXS)
Small-angle Neutron scattering (SANS)
در تمامی تکنیکهای فوق پراکندگی بصورت الاستیک بوده و اطلاعاتی در خصوص اندازه، شکل و توزیع ذرات بدست می آید تفاوت کلی تکنیکهای فوق در منبع تابش است که بر فاکتورهای زیر مؤثر است :
الف ) تفاوت در نمونه هایی که می توانند آنالیز شوند
ب ) تفاوت در بخش های قابل بررسی
ج ) تفاوت در اطلاعات نهایی حاصل ]2[
بطور کلی در تکنیک SAXS، particles ها مسئول ایجاد پراکندگی هستند در واقع particles ها نواحی میکروسکوپی کوچکی هستند که دانسیته الکترونی متفاوتی از اطرافشان دارند ]3[
تحت شرایط ایده آل اندازه و شکل ذرات می توانند بوسیله شدت پراش بعنوان تابعی از زاویه پراش تعیین شوند رنج اندازه ذراتی که توسط ابن تکنیک قابل اندازه گیری است در محدوده A1000-200 قرار دارد در نتیجه مواردی نظیر رسوبات در آلیاژهای محلول جامد ، سوسپانسیونهای کلوئیدی – ژلها – مولکولهای بزرگ به کمک این روش قابل شناسایی هستند ]3[
در تکنیک SAXS پراش در زوایای کمتر از 5 رخ می دهد شکل کلی پراش در شکل 1 نشان داده شده است ]4[
شکل 1. الگوی پراش در زوایای کوچک و زوایای بزرگ [4]
چکیده
ذرات فلزی با اندازه نانو نقش مهمی را در مهندسی مواد ایفا می کنند چونکه ویژگیهای ذرات با اندازه نانو با ویژگی های بقیه مواد متفاوت است
توزیع اندازه ذرات نانو با استفاده از تکنیک میکروسکوپ TEM قابل اندازه گیری است TEM یک تکنیک فوق العاده مفید برای حصول اطلاعاتی نظیر توزیع اندازه ذره , اندازه متوسط ذره و شکل ذرات نانوست
بنابراین اکثر محققان در ارتباط با نانو تکنولوژِی در جستجوی یک روش مناسب و یک روش In suit برای اندازه گیری توزیع ذرات نانو بودند این روشها بر اساس پراکندگی در زوایای کوچک استوار بود
Small angle X-ray Scattering (SAXS)
فصل اول
تکنیک های پراش با زاویه کوچک (SAS)
تکنیک های پراکندگی زاویه کوچک (SAS)
• پخش یا پراکندگی زاویه کوچک یک عنوان مشترک در روش های نام برده زیر
می باشد:
- متفرق شدن زاویه کوچک نور (SALS).
- پراکندگی (متفرق شدن) زاویه کوچک اشعه X (SAXS).
- پخش (متفرق شدن) زاویه کوچک نوترون (SANS).
• در همه این موراد، تشعشع ها (پرتوافکنی) بصورت ارتجاعی و انعطاف پذیر از طریق یک نمونه برای فراهم آوری اطلاعاتی درباره اندازه، شکل و انطباق مؤلفه های نمونه، پراکنده شده است.
• همه این سه مورد متفاوت از منبع پرتو زایی بکار گرفته شده می باشند، منبعی که بر نتایج زیر تأثیرمی گذارد:
- نمونه هایی که قابل تجزیه و تحلیل می باشند. (به لحاظ نور شناختی مات و کدر در مقابل ضخامت و مایع).
- مقیاس های طولی که قابل بررسی و تحقیق می باشند.
- اطلاعات نهایی بدست آمده.
پراکندگی (متفرق شدن) زاویه کوچک اشعه X به چه معناست؟
• Saxs یک روش اساسی در تحلیل ساختاری یک موضوع خلاصه شده می باشد. که تقاضاها (درخواست ها) حوزه های متنوعی را پوشش می دهد. از یک آلیاژ فلزی تا پلیمریهای مصنوعی در محلول و در حجم و سیع، مایکرو ملکولهای بیولوژیکی در محلول، امولسیون ها، مواد نفوذ پذیر، و غیره ... .
• Saxs ادعا می کند که نتایج حاصله از این روش نه تنها به اطلاعاتی درباره اندازه ها و اشکال ذره ها منتهی نمی شود، بلکه به ساختار بی نظم و آشفته داخلی سیستم های تنظیم شده بصورت مختصر و جزئی اشراف دارد.
• ذره های موجود در نمونه که علت و بانی SAXS می باشند، نواحی میکروسکوپی کوچکی هستند که دارای چگالی الکترونی متفاوت از اطراف خود می باشند.
روش SAXS اطلاعاتی درباره ساختار ماده زمانیکه چگالی متفاوتی میان بعضی از نواحی مجاور مشاهده می شود، در اختیار ما قرار می دهد. اندازه این نواحی از حدود 1000-10 می باشد.
تفاوت میان پراکندگی زاویه کوچک (SAXS) و پراکندگی زاویه گسترده (نا محدود) (WAXS) در مقیاس نمونه و نتیجتاً اندازه زاویه می باشد.
چرا زاویه کوچک؟
برای یک نور با طول موج ثابت شده ما را به عنوان تنها عملکرد داریم. با دقت به یک طرح از () در مقابل (d) (در1=) می توان دریافت که یک با فاصله قرار گرفته تقریباً بزرگتر از سه، کمتر از می باشد. هر شبکه فاصله دار در ماده مایکروملکولی مثل پلیمر و پروتئین ها قابل پیش بینی و معمول می باشد از اینرو به (SAXS) نیاز دارد.
تئوری (SAXS). یک شمای توصیفی از اصول پخش و پراکندگی در شکل قابل روئیت می باشد.
- تکنیک های پرتوافکنی زاویه کوچک (SAS):
پرتوافکنی زاویه کوچک (SAS) نام جامعی است که به تکنیک های نوترون زاویه کوچک (SANS) و پرتوافکنی اشعه x (SAXS) و نوری (LS، شامل SLS استاتیکی و DLS دینامیکی) داده می شود.
در هر یک از این تکنیک ها، تشعشع به صورت انعطاف پذیر توسط یک نمونه پخش می شود در الگوی پخش حاصل برای فراهم آوردن اطلاعاتی درباره اندازه ، شکل و دانه بندی برخی اجزاء و مولفه های نمونه آنالیز می شود (شکل 1-2) نوع نمونه ای که می تواند توسط SAS مورد مطالعه قرار گیرد، محیط نمونه ای است که می تواند بکار رود و مقیاس های طولی حقیقی که احتمال استفاده آنها وجود دارد و اطلاعاتی که می تواند حاصل شوند همه این موارد به ماهیت تشعشع بستگی دارد. برای مثال، LS نمی تواند برای مطالعه نمونه ها به صورت نوری استفاده شود و SAXS
نمی تواند به آسانی برای مطالعه نمونه های ضخیم یا نمونه های نیازمند به کانتینرهای پیچیده بکار رود، ضمن اینکه SANS (و SAXS) میله با مقیاس های طولی متفاوت برای LS بکار می رود. بنابراین، برای یک سطح گسترده این تکنیک ها کامل می باشند. به هرحال، آنها همچنین چندان خاصیت را به اشتراک می گذارند. شاید مهمترین این موارد این حقیقت باشد که با تنظیمات کوچک برای انواع متفاوتی از تشعشع، روابط و قوانین پایه را ایجاد می کند (برای مثال، این ها به واسطه Porod,Kratky,Zimm,Guiner) که می تواند برای آنالیز داده های حاصل از هریک از این سه تفکیک بکار روند. سیستم های کلوئیدی شامل موادی از ماهیت های خیلی متفاوت بوده و در برگیرنده دو یا چند مولفه بوده و می تواند ذره هایی را تعریف کرده (شناسایی کرده) که به ذره «حلال» نامیده می شود و حلال یا solvent می تواند پیچیده بوده یا از مولفه های متفاوتی تشکیل شود، درست همانند مثال مربوط به حالت MES که سه تا پنج مولکول می تواند وجود داشته باشد. فیزیک مربوط به این سیستم ها خیلی متفاوت می باشد. تکنیک SAS به عنوان یک ابزار قو ی و منحصر به فرد برای توضیح دادن ساختمان، واکنش و حالت های فازی گذرا در سیستم های micellar,ME به اثبات رسیده است
1-2- مقایسه تکنیک های پرتوافکنی و مقیاس های طولی که آنها ممکن است داشته باشند.
شماتیک نشان دهنده یک تجزیه پرتوافکنی در شکل 1-2 آمده است. که یک کمیت پایه در یک تجربه پرتوافکنی است، بردار پرتوافکنی (پخش- ارسال)
می باشد که مبین تفاوت بین بردارهای موجی ارسال شده و تشعشع انجام شده می باشد. تجربه پرتوافکنی مربوط به یک نمونه ایزوتروپیک حاوی ذرات سنگین، یک اندازه گیری از پرتوافکنی الاستیکی و کوالاستیکی انجام می شود که درنتیجه، فرمول های مربوط به مرتبط با زاویه پخش و ارسال ، θ اندیس شکست n و طول موج خلاء مربوط به طول نفوذ (شیوع) می شود که توسط داده می شود. برای طول n=1.33 در اب اما برای اشعه x و نوترون ها، n خیلی نزدیک به واحد می باشد.
LS از تکنیک اسپکتروسکپی هم بسته (بهم پیوسته) فوتونی که برای مطالعه خواص هیدرودینامیکی مربوط به کلوئیدها استفاده شده است، استفاده می کند. این تکنیک براساس اندازه گیریهای مربوط به ضرایب دیفیوژن(نفوذ ) می باشد. شخص می تواند اطلاعاتی را درباره اندازه شبکه (مجموعه روی هم قرار گرفته) و واکنش بین ذرات بدست آورد.
(شکل 1-2- شماتیک نشان دهنده تجربه پرتوافکنی ستون موجود در امتداد بردار موجی q0 پخش می شود و ستون پخش شده در امتداد بردار موج qs می باشد. زاویه پرتوافکنیθ در امتداد، بین qs,q0 می باشد. فاصله RP بزرگتر از اندازه خطی حجم پرتوافکنی می باشد.)
پخش اشعه x و نوترون یک ابزار تحقیقاتی ارزشمند می باشد که اجازه مطالعه ساختمان میکروسکوپی کلوئیدی پلیمر و سیستم های سطحی را می دهد. این ابزار اطلاعاتی را درباره شکل و اندازه ساختمان در مقیاس کوچک که اغلب در سیستم ها موجود می باشند، در اختیار قرار می دهد. ستون نوترون می تواند برای پوشش دادن یک دامنه از طول موجهای 0.01nm روی 3nm تولید شود. این دامنه برا مواردی قابل مقایسه می باشد که ممکن است با اشعه x(برای مثال، خط cu-kα در 0.15nm) بدست آید اما دارای اندازه کوچکتری می باشد که با نور قابل مشاهده نمی باشد (400-700nm). اختلاف بنیادین بین تشعشع الکترومغناطیسی و نوترونی در مکانیزمی است که در تشعشع با ماده واکنش نشان می دهد. اشعه های x و نوری هر دو توسط نو کلئید اتمی اطراف الکترون ها پخش می شود، اما نوترون ها توسط خود نوکلئیدها پخش می شود. این واقعیت دارای چندین مفهوم مهم می باشد. در حالت مربوط به تشعشع الکترومغناطیسی، انرژی E و طول موج با رابطه پلانک می باشد، اما چون نوترون دارای یک جرم متناهی می باشد، نیاز است که انرژی جنبشی آن با فرمول در نظر گرفته شود.
بنابراین، یک نوترون با یک طول موج 0.15 دارای انرژی می باشد یا در واحدهای عملی تر، 36.4mev می باشد. به صورت خلاصه، انرژی مربوط به فوتون اشعه x 0.15nm تقریبا 8.2kev می باشد،
بنابراین نوترون ها دارای مزیت ویژه ای نسبت به اشعه x در مطالعه نمونه های حساس همانند مواد بیولوژیکی می باشد. چون اشعه x سبب تنزل مولکولی به واسطه حرارت تشعشعی می شود.
مفید بودن SAS برای علم پلیمر کلوئیدی در زمانی که ملاحظات مربوط به مقیاس های طولی در میان باشد، واضح می باشد، طول های باند معمولاً nm 1/0 می باشد، شعاع چرخش (گردش) مربوط به پیلمر در محلول معمولاً nm 10-1 برده و قطر میکروامولسیونی ممکن است nm 100-10 برحسب قطر می باشد. ضمن اینکه ذرات لاتکس و قطرات امولسیونی اغلب nm 1000-100 برحسب قطر می باشد. به منظور دسترسی به اطلاعات درباره ساختمان و اندازه توزیع، طول موج مربوط به تشعشع استفاده شده در تجربه پرتوافکنی بایستی هماهنگ با دامنه اندازه مربوط باشد. یک فرضیه اصلی در تئوری مربوط به موج پرتوافکنی توسط یک هدف گسترانده شده با توزیع دانسیته فضایی r برای توزیع دانسیته پرتوافکنی شده فضایی q در عبارت های مربوط به تبدیل فوریه مرتبط می باشد. این مسئله از این قضیه تبعیت می کند که اندازه مشخصه در فضای R-rبا عرض مشخصه مربوط به توزیع دانسیته در فضای q مرتبط می باشد. بنابراین، برای مشخصه بندی مجموعه ای از اندازه R شخص باید پرتوافکنی را به گونه ای تجربه کند که در یک دامنه حدود یک اندازه روی هر سمت از مقدار اعمال شود. شکل 2-2 یک مقایسه مربوط به تکنیک های پخش و مقیاس های طولی را نشان می دهد. DLS دارای یک دامنه بزرگتری از تکنیک های پرتوافکنی دیگر می باشد چون با فاصله در نظر گرفته می شود که یک ذره در یک زمان مشخص نفوذ می کند.