納米粒子的高比表面為它們提供了獨特的特性，這使得它們不管在高科技還是傳統(tǒng)行業(yè)的應用中都具有吸引力，例如在建筑業(yè)。由于提純選擇的技術(shù)有限，生產(chǎn)過程中對尺寸和形狀的控制至關(guān)重要。X 射線散射測量可以有效地得到這些參數(shù)，此外，還可以深入了解形成機制。

     納米顆粒的特征在于它們至少具有納米范圍內(nèi)的一個維度介于 1 和 100 納米之間。這意味著它們可以具有任何形狀，并且可以由多種材料組成。一些常見的例子是金屬、二氧化硅、碳和聚合物。納米粒子的特性可能與制成它們的大塊材料的特性大不相同。它們具有非常高的比表面積，這意味著顆粒的表面構(gòu)成了整個材料的重要部分，且主導了性能，導致與環(huán)境的相互作用更強。它們的小尺寸還會影響磁性和鐵磁性，導致量子力學行為，最后，納米粒子的有序堆積賦予材料新的特性。

     這些新特性為有趣的應用奠定了基礎。大表面積增強了與溶劑或基質(zhì)的相互作用。這意味著納米顆粒懸浮液可以是穩(wěn)定的，盡管顆粒的密度高于溶劑。在穩(wěn)定的懸浮液中，顆粒均勻分布在介質(zhì)中。這一點很重要，例如，當將納米顆粒添加到環(huán)氧樹脂中時。環(huán)氧樹脂在建筑行業(yè)中被廣泛用作粘合劑、密封劑、油漆、塑料和涂料[1]。環(huán)氧樹脂的一大缺點是它們通常很脆，這一問題可通過添加金屬納米粒子有效解決。此外，金屬納米粒子的添加導致更好的結(jié)合，改進導熱性和導電性。這對汽車和航空航天工業(yè)來說具有明顯的益處。

     為了得到產(chǎn)生這些納米級材料非凡功能的物理特性，獲得尺寸和形狀可控且分散性極低的顆粒是必不可少的。由于納米顆粒的提純主要受限于洗滌、分餾、分離以及超速離心[2]，因此對合成的理解和控制至關(guān)重要。此外，在可擴展性和能耗方面優(yōu)化合成過程，需要對濕法化學深入了解。

     因此，任何能夠在液體基質(zhì)中實時提供尺寸和形狀信息，而不干擾反應動力學的研究方法都非常有價值。此外，它將有助于揭示除經(jīng)典成核規(guī)則之外的新粒子生長機制。雖然顯微鏡技術(shù)可以得到納米粒子的這些重要特性的信息，但不能實時完成，因為單個測量不會產(chǎn)生統(tǒng)計相關(guān)的結(jié)果。

★納米粒子合成的原位分析★

​     對于反應混合物的原位分析，需要較短的測量時間才能對合成過程進行充分采樣。此外，該技術(shù)需要與試劑和產(chǎn)品的濃度兼容，并且測量本身不應干擾反應。

     小角 X 射線散射 (SAXS) 為此提供了一種非常好的方法。它能給對尺寸分布[3]進行統(tǒng)計相關(guān)表征，并且可以在相關(guān)樣品條件下進行原位測量，而無需通過取樣來干擾反應[4,5]。SAXS 實驗可以與廣角 X 射線散射 (WAXS) 測量同時進行，來得到所研究樣品的結(jié)晶狀態(tài)。

     多年來，SAXS/WAXS 技術(shù)已被有效地用于研究納米粒子在實際的合成條件下的形成和生長機制，過去大多數(shù)都在使用同步加速器設施。雖然超快實驗（不到一秒）仍然使同步加速器實驗具有獨特性，但已經(jīng)可以通過實驗室 SAXS/WAXS 設備[6]來跟蹤前驅(qū)反應和成核，例如，使用這種類型的 X 射線散射儀器在高溫合成（~300°C）期間研究了氧化鐵納米粒子的成核和生長[7]。

     此外，還可以使用低維護成本的密封管 X 射線源，先進的X光學元件以及低散射噪音設備包括先進混合像素探測器來監(jiān)測膠體合成，包括在成核階段[8,9]。

     下圖顯示了巴西USP圣保羅的科學家在與德國杜伊斯堡-埃森大學和巴西IPEN 的科學家合作研究濕法化學還原反應過程中金屬納米粒子形成的反應裝置[9]。在持續(xù)攪拌的加熱容器中，硝酸銀、葡萄糖和聚乙烯吡咯烷酮 (PVP) 在水中的混合物形成銀納米粒子。使用蠕動泵將反應混合物泵入SAXS儀器，并在加熱的毛細管中進行測量。每次測量進行60秒，得出這60秒的平均值。

圖 1：用于跟蹤具有原位SAXS表征的銀納米粒子形成的實驗示意圖。SAXS儀器是Xenocs的Xeuss 2.0，配備GeniX 3D銅靶光源和Pilatus 300K探測器。

     將得到的散射圖案還原成一位曲線（下圖2a數(shù)據(jù)點）并用Monte Carlo優(yōu)化方法擬合（下圖2a中的實線）。完整數(shù)據(jù)集的擬合表明銀納米粒子由兩個主要群體組成：一個直徑約為3nm，另一個直徑范圍為10到40nm。

     根據(jù)這些數(shù)據(jù)，可以推導出兩種類型粒子的體積分數(shù)，如下圖2b所示。在這里，清楚地表明小納米顆粒的體積分數(shù)在合成開始時占主導地位。這些顆粒不斷成長為更大的顆粒，在合成過程要結(jié)束時占主導地位。形成機制可以從生長速率推導出來。在51分鐘之前，這個過程以聚結(jié)為主，而過程的最后階段則以Ostwald熟化為主。

圖2(a)：在 90°C 下合成銀納米粒子期間獲得的原位 SAXS 數(shù)據(jù)及擬合結(jié)果，采集自Xeuss 2.0, 銅靶Genix3D 光源。

圖2(b)：從SAXS 數(shù)據(jù)中得到的兩個粒徑分布所對應的體積分數(shù)隨著反應時間的變化。

     這個例子表明，原位SAXS分析銀納米粒子形成不僅能提供所形成粒子的尺寸和形狀的詳細信息，而且還提供了關(guān)于尺寸分布和形成機制的實時信息。這使得能夠通過淬滅反應來控制合成結(jié)果。

★Xenocs提供的解決方案★

 Xenocs的Xeuss和Nano-inXider非常適合此類測量。Xeuss是一種用于實驗室的高性能SAXS線站，旨在促進用于軟物質(zhì)和納米材料分析的超小角、小角和廣角X射線散射（USAXS、SAXS和WAXS）。Nano-inXider 通過將卓越的性能與出色的用戶體驗和較小的占用空間相結(jié)合，有助于加速研究。
 

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