XRD應用分享 | 小角X射線(xiàn)散射

X射線(xiàn)小角散射（Small Angle X-ray scattering，SAXS）是通過(guò)收集X射線(xiàn)穿過(guò)樣品之后產(chǎn)生的散射信號，來(lái)研究樣品1~100 nm范圍之內結構信息的技術(shù)。SAXS對樣品的形式?jīng)]有特定要求，塊狀，粉末和液體均可，但要求感興趣的結構與周?chē)h(huán)境有電子密度起伏，即襯度。 

圖1 SAXS的散射幾何

實(shí)例一

由于納米顆粒形貌和尺寸會(huì )對其物化性能均會(huì )產(chǎn)生影響，為了實(shí)現更精確的納米顆粒形貌和尺寸的分析，以便更好的利用納米顆粒，采用更具有統計意義的SAXS技術(shù)是個(gè)非常必要的選擇。首先利用TEM對納米顆粒形貌及尺寸進(jìn)行初步分析，然后采集不同的納米顆粒分散液的SAXS數據，利用不同的形狀因子（即，cube，sphere， 和superball）對數據進(jìn)行分析得到了不同的p值。當p=1時(shí)，納米顆粒為球形，當,納米顆粒則為立方體。擬合到的p值顯示在圖2(a)中。[1]

 

圖2 （a）四種不同形狀的納米顆粒的TEM圖片和（b）SAXS數據及擬合結果

實(shí)例二 

纖維素是一種可再生，可生物降解的材料，具有很高的強度，低密度，高表面積和可調節的表面化學(xué)性質(zhì)，從而使其可控地與其他聚合物和納米材料相互作用。為了確定了水溶脹和乙醇溶脹的對再生纖維素凝膠珠的宏觀(guān)和微觀(guān)結構演變的影響， 利用原位SAXS實(shí)時(shí)監控兩種不同溶劑溶脹的再生纖維素凝膠珠干燥過(guò)程。通過(guò)擬合數據得到了四個(gè)參數Rg1, Rg2, s1, s2，其中Rg1 和 Rg2分別表示纖維素單體和聚合體的大小， s1和s2是與形狀相關(guān)的因子，當s1=s2=0是為球形，當s1=1，s2=0時(shí)為柱狀，而s1=2，s2=0時(shí)為層狀。與從乙醇中干燥相比，從水中干燥纖維素經(jīng)歷了更復雜的變化過(guò)程。隨著(zhù)水溶脹的珠子變干，他們會(huì )發(fā)生結構上的轉變，其中拉長(cháng)的結構變成了球形結構，而在乙醇中干燥時(shí)，形貌變化較小。[2]

圖3 （a）原位SAXS測試示意圖。（b）干燥 5、25 和 50 分鐘后水溶脹凝膠珠的 SAXS 數據和擬合曲線(xiàn)。(c) 在水膨脹珠干燥的 60 分鐘的時(shí)間跨度內的SAXS數據圖，每30秒采一條譜。 (d) 乙醇溶脹珠的整個(gè) SAXS 數據圖，時(shí)間跨度為30 分鐘，每15秒采一條譜。干燥過(guò)程中（e）水膨脹和（f）乙醇膨脹珠的兩個(gè)擬合長(cháng)度尺度參數（Rg1 和 Rg2）的蒸發(fā)引起的時(shí)間相關(guān)變化。在干燥過(guò)程中，(g) 水溶脹珠和 (h) 乙醇溶脹珠的“維度"參數（s1 和 s2）因蒸發(fā)而隨時(shí)間變化。 

參考文獻：

1. Dresen, Dominique, et al. "Neither Sphere nor Cube—Analyzing the Particle Shape Using Small-Angle Scattering and the Superball Model." The Journal of Physical Chemistry C 125.42 (2021): 23356-23363.

2. Li, Hailong, et al. "Macro-and microstructural evolution during drying of regenerated cellulose beads." ACS nano  14.6 (2020): 6774-6784.