تعیین توزیع اندازه ذرات در ابعاد نانو با استفاده از دستگاه تفرق نور پویا – بخش اول

همان‌طور که گفته شد، دستگاه زتاسایزر برای تعیین توزیع اندازه ذرات در ابعاد نانو از روش تفرق نور پویا استفاده می‌نماید. زمانی که ذرات درون دیسپرسانت قرار می‌گیرند، مولکول‌های دیسپرسانت نیرویی به ذرات اعمال می‌نمایند. اعمال این نیرو از سوی مولکول‌های دیسپرسانت سبب حرکت ذرات می‌شود و ذرات درون دیسپرسانت به‌طور تصادفی حرکت می‌نمایند. به حرکت تصادفی ذرات درون دیسپرسانت بر اثر اعمال نیرو از سوی مولکول‌های دیسپرسانت، حرکت براونی گفته می‌شود.
تفرق نور پویا با اندازه‌گیری حرکت براونی ذرات و یا به عبارت دیگر، میزان جابجایی ذرات درون دیسپرسانت پی به اندازه آنها می‌برد. اندازه‌گیری حرکت براونی ذرات در این روش، با استفاده از دستگاه زتاسایزر سری ZS و تابش پرتو‌های نور مرئی از یک منبع نور از جنس نئون هلیوم با طول موج 633 نانومتر و تجزیه و تحلیل نوسانات شدت نور متفرق شده در اثر برخورد پرتو‌های نور با ذرات به‌دست می‌آید.
حرکت براونی ذرات درون دیسپرسانت، وابسته به اندازه ذرات است. هر چه اندازه ذره درون دیسپرسانت بزرگ‌تر باشد، حرکت براونی ذره آهسته‌تر شده و به همین ترتیب، با کوچک‌تر شدن اندازه ذره، حرکت آن درون دیسپرسانت سریع‌تر می‌شود. البته لازم به ذکر است که حرکت براونی ذرات به عوامل دیگری نیز وابسته است که می‌توان از میان آنها به دما و ویسکوزیته اشاره نمود. توجه به این نکته لازم و ضروری است که عوامل تاثیرگذار در انجام آزمون، باید ثابت باشند در غیر این صورت، آزمون انجام شده می‌تواند دارای خطا ‌باشد. سرعت حرکت براونی به‌صورت یک عامل ویژه تعریف می‌شود. این عامل که سرعت حرکت براونی ذرات را برای به‌دست آوردن آن محاسبه می‌شود، عامل ضریب نشر انتقالی نامگذاری شده‌است. بنابراین، محاسبه اندازه جابجایی ذرات درون دیسپرسانت یا همان حرکت براونی ذرات منجر به دستیابی عامل ضریب نشر انتقالی خواهد شد.

بین حرکت براونی ذرات و یا به عبارت دیگر عامل ضریب نشر انتقالی با اندازه ذرات رابطه‌ای وجود دارد. با استفاده از این رابطه موجود بین حرکت براونی و اندازه ذرات که به رابطه استوک- انیشتین معروف است و همچنین با به‌دست آوردن ضریب نشر انتقالی می‌توان به توزیع اندازه ذرات نمونه مورد آزمایش دست یافت.
معادله استوک- انیشتین به‌صورت زیر است:

که در آن:
d (H): اندازه هیدرودینامیکی، k: ثابت بولتزمن، D: ضريب نشر انتقالی ذره، η: ويسکوزيته و T: دماي مطلق است.
البته باید به این نکته نیز توجه داشت که اندازه ذرات به‌دست آمده با این روش، اندازه حقیقی ذرات نیستند، بلکه اندازه هیدرودینامیکی آنها است. زمانی‌که ذره درون دیسپرسانت قرار می‌گیرد، لایه‌ای دور ذره تشکیل می‌شود و سطح آن را می‌پوشاند که به لایه مضاعف الکتریکی معروف است. هنگامی‌که با روش تفرق نور پویا اندازه ذره محاسبه می‌شود، در واقع اندازه ذره به‌علاوه لایه مضاعف الکتریکی به‌وجود آمده در دور آن به‌دست می‌آید.
همان‌طور که در معادله استوک- انیشتین نیز دیده می‌شود، برای محاسبه اندازه ذرات، عوامل ضریب نشر انتقالی ذره، ویسکوزیته و دمای مطلق مورد نیاز است. در انجام این آزمون با دستگاه زتاسایزر عوامل ویسکوزیته و دمای مطلق باید به نرم‌افزار دستگاه داده شود و دستگاه با محاسبه عامل ضریب نشر انتقالی که با اندازه‌گیری حرکت براونی ذرات حاصل می‌شود، می‌تواند توزیع اندازه ذرات را تعیین نماید.
لازم به ذکر است که حرکت براونی ذرات، یکی از عواملی است که عامل ضریب نشر انتقالی به آن وابسته است و عوامل دیگری نظیر غلظت سوسپانسیون، ساختار سطح و شکل هندسی ذرات نیز می‌توانند به اندازه چند نانومتر روی نتایج به‌دست آمده از این روش، تاثیرگذار باشند. بعد از توضیحات داده شده درباره معادله استوک- انیشتین، حال روشی را که دستگاه زتاسایزر برای به‌دست آوردن اندازه حرکت براونی ذرات مورد استفاده قرار می‌دهد، شرح داده می‌شود.

با توجه به مطالبی که بیان شد، از دستگاه زتاسایزر می‌توان برای اندازه‌گیری حرکت براونی ذرات مورد آزمایش و همچنین به‌منظور تعیین توزیع اندازه ذرات استفاده نمود. اندازه‌گیری حرکت براونی ذرات با استفاده از محاسبه میزان نوسانات در شدت پرتوهای نور متفرق شده توسط ذرات تعیین می‌شود. حال این سوال مطرح می‌شود که دستگاه چگونه می‌تواند با استفاده از نوسانات و یا به عبارت ساده‌تر، تغییرات شدت پرتوهای نور متفرق شده، اندازه حرکت براونی ذرات را تعیین نماید؟
همان‌طور که در شکل (1) مشاهده می‌شود، پرتوهای نور از منبع تابش به کیووت می‌تابند. پرتوهای نور تابیده شده به‌وسیله ذرات درون سوسپانسیون متفرق می‌شوند.

اگر در نزدیکی کیووت یک صفحه نمایش برای مشاهده شدت تفرق پرتوهای نور قرار بگیرد، تفرق پرتوهای نور به‌وسیله ذرات، روی این صفحه نمایش که شناساگر نامیده می‌شود، قابل رویت است. روی شناساگر الگویی از نقاط تیره و روشن دیده می‌شود(شکل2). به الگوی نمایش نقاط تیره و روشن به‌وجود آمده روی شناساگر، الگوی نقطه‌ای گفته می‌شود.

نقاط تیره و روشن به‌وجود آمده روی شناساگر، نشان‌دهنده شدت تفرق پرتوهایی از نور است که در اثر برخورد با ذرات، ایجاد شده‌اند و حرکت و جابجایی نقاط تیره و روشن و تغییر این الگو، بیانگر حرکت براونی ذرات است. با توجه به شکل (3)، نقاط تیره مشاهده شده، مربوط می‌شود به تفرق پرتو‌هایی از نور که فرکانس طول موج آنها با یکدیگر غیر هم‌فاز هستند. زمانی که این پرتوها با یکدیگر تداخل دارند، تداخل آنها از نوع مخرب است به‌گونه‌ای که یکدیگر را تخریب می‌نمایند (مانند ذرات (الف) در شکل (3)). اما نقاط روشن دیده شده، مربوط به پرتو‌هایی از نور هستند که فرکانس طول موج آنها با یکدیگر هم‌فاز و تداخل فرکانس آنها با یکدیگر از نوع تداخل سازنده است (مانند ذرات (ب) در شکل (3)).

دستگاه زتاسایزر از روی تغییرات الگوی نقطه‌ای که به‌صورت کم‌نور شدن و پر‌نور شدن نقاط تیره و روشن است، می‌تواند تغییرات شدت پرتوهای نور متفرق شده توسط ذرات را محاسبه نماید که تعیین شدت تفرق پرتوهای نور، به اندازه‌گیری حرکت براونی ذرات منتهی می‌شود.

4- شبکه آزمایشگاهی فناوری راهبردی

1. از آنجائی که در روش تفرق نور پویا، تعیین اندازه ذرات درون دیسپرسانت انجام می‌شود، اندازه ذرات، بزرگ‌تر از اندازه واقعی آنها است. علت بروز این مسئله، به‌وجود آمدن لایه مضاعف الکتریکی است که ذره را احاطه می‌نماید.
2. این روش مشابه بسیاری از روش‌های اندازه‌گیری ذره، شکل ذرات را به‌صورت کروی در نظر می‌گیرد. کروی در نظر گرفتن ذرات، سبب ایجاد درصدی اشتباه در نتیجه اعلام شده توسط دستگاه می‌شود. به‌عنوان مثال، اگر شکل ذرات به‌صورت میله‌ای باشد، در واقع طول میله به‌عنوان قطر یک کره در نظر گرفته می‌شود. بنابراین، تغییرات کوچک در طول میله می‌تواند به‌طور مستقیم روی اندازه ذرات تاثیرگذار باشد، در حالی‌که تغییرات در قطر میله، تاثیری روی اندازه ذرات نخواهد داشت.
3. ساختار سطح ذره روی اندازه ذرات می‌تواند نقش داشته باشد. لایه مضاعف الکتریکی ایجاد شده روی سطوح صاف و مسطح مانند یک سطح پلیمری، بزرگ‌تر از لایه مضاعف الکتریکی به‌وجود آمده روی یک سطح نا‌هموار است.
4. برخی از عوامل مورد نیاز برای انجام آزمون توزیع اندازه ذرات، نظیر ویسکوزیته دیسپرسانت، ضریب جذب نور ذره، ضریب شکست دیسپرسانت و ضریب شکست ذره و غیره به‌صورت دستی در رایانه متصل به دستگاه وارد می‌شود. لذا وجود دستگاه‌های آزمایشگاهی ویسکومتر و رفراکتومتر برای بالا بردن دقت نتیجه آزمون می‌تواند مفید باشد.
5. حرکت براونی ذرات درون دیسپرسانت با اندازه آنها رابطه دارد که این رابطه به معادله استوک – انیشتین معروف است. به غیر از اندازه ذره، عوامل دیگری نیز نظیر دما و غلظت سوسپانسیون نیز روی حرکت براونی ذره تاثیرگذار است. پس در هنگام انجام آزمون توزیع اندازه ذرات با دستگاه زتاسایزر، عامل دما باید ثابت بوده و عامل غلظت نیز باید مطابق با استاندارد باشد. استاندارد بین‌المللی غلظت در آزمون توزیع اندازه ذره ISO13321 part 8 1996 است که میزان این غلظت 10 میلی‌مول نمک طعام است. میزان لایه مضاعف الکتریکی که در این غلظت به‌وجود می‌آید، همان اندازه‌ای است که قابل انتظار است.
6. چون این روش آزمون قادر به ارائه توزیع اندازه ذرات است، در صنایع بسیاری مثل سرامیک و داروسازی که میانگین اندازه ذره اهمیت فراوانی دارد، رایج شده‌است.
7. برخی از محصولات تولیدی به حالت سوسپانسیون هستند، به همین دلیل اندازه ذرات آنها در حالت سوسپانسیون حائز اهمیت است. دستگاه زتاسایزر برای انجام آزمون روی این دسته از نمونه‌ها بسیار مناسب است.
8. با توجه به توضیحات داده شده، به نظر نگارنده، انجام آزمون با روش دیگری مانند میکروسکوپ الکترونی عبوری که احتمال خطا در آن حداقل است، انجام شود و از آزمون توزیع اندازه ذرات با دستگاه زتاسایزر بهتر است که به‌عنوان مکمل سایر آزمون‌ها استفاده نمود.