Un team di ricercatori ha proposto un metodo veloce e conveniente chiamato diffusione dinamica della luce polarizzata (PIDLS) che valuta quantitativamente la dimensione, la morfologia e la distribuzione delle nanoparticelle allo stesso tempo. Si propone una quantità adimensionale, denominata sfericità ottica, per descrivere il grado di deviazione delle nanoparticelle dalle sfere. Questo metodo contribuirà notevolmente alla sintesi in situ, all'analisi struttura-funzione e alla valutazione della qualità delle nanoparticelle.
Il team di ricercatori cinesi dell'Università di Shanghai per la Scienza e la Tecnologia e Jiaxing MeaParTech Instrument Technology Co., Ltd ha pubblicato il proprio lavoro sulla rivista Particuology .
Le prestazioni delle nanoparticelle sono spesso influenzate da fattori quali la dimensione e la forma delle particelle. Tradizionalmente, la microscopia elettronica o la microscopia a forza atomica viene utilizzata per l'analisi delle dimensioni e della morfologia delle nanoparticelle. Tuttavia, questo approccio pone sfide come la preparazione complessa dei campioni, l'elaborazione dispendiosa in termini di tempo e difficoltà nel raggiungere la caratterizzazione quantitativa. Un metodo veloce, accurato e statisticamente significativo per misurare le dimensioni e la morfologia delle nanoparticelle faciliterà il settore correlato.
A differenza dei metodi di microscopia elettronica e di microscopia a forza atomica, il metodo PIDLS non misura direttamente la dimensione e la morfologia delle nanoparticelle. In effetti, PIDLS può essere visto come una combinazione del metodo di diffusione dinamica della luce (IDLS) e del metodo di diffusione della luce polarizzata (PLS).
Illuminando un campione di nanoparticelle con un raggio laser polarizzato, una telecamera polarizzata riceve la luce diffusa e ottiene immagini di dispersione nelle direzioni di polarizzazione 0°, 45°, 90° e 135°. A causa del continuo movimento browniano casuale delle particelle, le posizioni spaziali e gli orientamenti delle particelle variano costantemente, determinando fluttuazioni nell'intensità e nello stato di polarizzazione della luce diffusa.
Secondo l'equazione di Stokes-Einstein, la velocità delle fluttuazioni di intensità nella luce diffusa è correlata alla dimensione delle particelle e, secondo la teoria della diffusione della luce, lo stato di polarizzazione della luce diffusa è correlato alla morfologia delle particelle. Calcolando la correlazione spaziale di due immagini di diffusione consecutive nella direzione di polarizzazione di 0°, è possibile determinare la velocità delle fluttuazioni di intensità nella luce diffusa e quindi determinare la dimensione delle particelle.
Le misurazioni continue possono fornire più risultati di misurazione delle dimensioni delle particelle, inclusi il valore medio e l'indice di polidispersità. Analizzando l'intensità della luce diffusa da quattro immagini di polarizzazione nelle direzioni di polarizzazione 0°, 45°, 90° e 135° scattate contemporaneamente, è possibile ottenere il grado di polarizzazione lineare (denominato sfericità ottica in questo documento) , che può essere utilizzato per valutare il grado di approssimazione delle particelle ad una sfera.
Un valore pari a 1 indica una sfera perfetta, mentre il valore più piccolo indica la maggiore deviazione da una sfera. Misurazioni continue possono fornire la sfericità ottica delle nanoparticelle, ottenendo così una distribuzione morfologica statistica.
In questo studio, le misurazioni sono state condotte su nanoparticelle sferiche, ottaedriche, piatte, a forma di bastoncino e filamentose. I risultati della dimensione delle particelle, della morfologia e delle distribuzioni ottenuti dal metodo PIDLS erano coerenti con quelli ottenuti dalla microscopia elettronica, dimostrando l'efficacia del metodo proposto.
Lo studio ha anche misurato cinque polveri di biossido di titanio di livello industriale e ha identificato con successo i campioni con dimensioni delle particelle significativamente più grandi, sfericità ottica inferiore e scarsa consistenza sia nelle dimensioni che nella morfologia. Ciò evidenzia la potenziale applicazione del metodo PIDLS nel controllo di qualità delle nanopolveri.
"Questo studio fornisce un nuovo strumento per valutare la morfologia delle nanoparticelle", ha affermato Xiaoshu Cai, professore presso l'Università di Shanghai per la Scienza e la Tecnologia. Il metodo PIDLS può essere eseguito a temperatura ambiente e pressione atmosferica in un ambiente in fase liquida con pochissima preparazione del campione. Grazie alla sua semplicità e all'elevata velocità di misurazione, il metodo PIDLS ha un grande potenziale per un'applicazione diffusa nella sintesi di nanomateriali nei laboratori, nella produzione di nanopolveri nelle piante e in molti altri campi all'avanguardia.
"Nella fase successiva, il nostro gruppo di ricerca convaliderà ulteriormente l'universalità della sfericità ottica. Inoltre, prevediamo di indagare ulteriormente la relazione tra la morfologia delle particelle e i modelli di scattering in campo lontano basati sulla teoria dello scattering di polarizzazione, con l'obiettivo di ottenere la classificazione delle particelle morfologia", ha detto Cai.
In questo modo, i ricercatori potrebbero espandere gli scenari applicativi di PIDLS e migliorare il potenziale per le applicazioni pratiche. "Il nostro gruppo di ricerca si concentra costantemente sulla misurazione multiparametrica e sulla misurazione online delle particelle e sviluppa continuamente nuovi metodi e dispositivi di misurazione", ha affermato Cai.
Ulteriori informazioni: Bingyao Wang et al, Diffusione dinamica della luce con imaging polarizzato per la misurazione simultanea della dimensione e della morfologia delle nanoparticelle, Particuologia (2023). DOI:10.1016/j.partic.2023.06.004
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