用于纳米颗粒表征的原位小角 X 射线散射
纳米粒子的高比表面为它们提供了独特的特性，这使得它们不管在高科技还是传统行业的应用中都具有吸引力，例如在建筑业。由于提纯选择的技术有限，生产过程中对尺寸和形状的控制至关重要。
纳米粒子的高比表面为它们提供了独特的特性，这使得它们不管在高科技还是传统行业的应用中都具有吸引力，例如在建筑业。由于提纯选择的技术有限，生产过程中对尺寸和形状的控制至关重要。X 射线散射测量可以有效地得到这些参数，此外，还可以深入了解形成机制。
纳米颗粒的特征在于它们至少具有纳米范围内的一个维度介于 1 和 100 纳米之间。这意味着它们可以具有任何形状，并且可以由多种材料组成。一些常见的例子是金属、二氧化硅、碳和聚合物。纳米粒子的特性可能与制成它们的大块材料的特性大不相同。它们具有非常高的比表面积，这意味着颗粒的表面构成了整个材料的重要部分，且主导了性能，导致与环境的相互作用更强。它们的小尺寸还会影响磁性和铁磁性，导致量子力学行为，最后，纳米粒子的有序堆积赋予材料新的特性。
这些新特性为有趣的应用奠定了基础。大表面积增强了与溶剂或基质的相互作用。这意味着纳米颗粒悬浮液可以是稳定的，尽管颗粒的密度高于溶剂。在稳定的悬浮液中，颗粒均匀分布在介质中。这一点很重要，例如，当将纳米颗粒添加到环氧树脂中时。环氧树脂在建筑行业中被广泛用作粘合剂、密封剂、油漆、塑料和涂料[1]。环氧树脂的一大缺点是它们通常很脆，这一问题可通过添加金属纳米粒子有效解决。此外，金属纳米粒子的添加导致更好的结合，改进导热性和导电性。这对汽车和航空航天工业来说具有明显的益处。
为了得到产生这些纳米级材料非凡功能的物理特性，获得尺寸和形状可控且分散性极低的颗粒是必不可少的。由于纳米颗粒的提纯主要受限于洗涤、分馏、分离以及超速离心[2]，因此对合成的理解和控制至关重要。此外，在可扩展性和能耗方面优化合成过程，需要对湿法化学深入了解。
因此，任何能够在液体基质中实时提供尺寸和形状信息，而不干扰反应动力学的研究方法都非常有价值。此外，它将有助于揭示除经典成核规则之外的新粒子生长机制。虽然显微镜技术可以得到纳米粒子的这些重要特性的信息，但不能实时完成，因为单个测量不会产生统计相关的结果。
★纳米粒子合成的原位分析★
对于反应混合物的原位分析，需要较短的测量时间才能对合成过程进行充分采样。此外，该技术需要与试剂和产品的浓度兼容，并且测量本身不应干扰反应。
小角 X 射线散射 (SAXS) 为此提供了一种非常好的方法。它能给对尺寸分布[3]进行统计相关表征，并且可以在相关样品条件下进行原位测量，而无需通过取样来干扰反应[4,5]。SAXS 实验可以与广角 X 射线散射 (WAXS) 测量同时进行，来得到所研究样品的结晶状态。
多年来，SAXS/WAXS 技术已被有效地用于研究纳米粒子在实际的合成条件下的形成和生长机制，过去大多数都在使用同步加速器设施。虽然超快实验（不到一秒）仍然使同步加速器实验具有独特性，但已经可以通过实验室 SAXS/WAXS 设备[6]来跟踪前驱反应和成核，例如，使用这种类型的 X 射线散射仪器在高温合成（~300°C）期间研究了氧化铁纳米粒子的成核和生长[7]。
此外，还可以使用低维护成本的密封管 X 射线源，先进的X光学元件以及低散射噪音设备包括先进混合像素探测器来监测胶体合成，包括在成核阶段[8,9]。
下图显示了巴西USP圣保罗的科学家在与德国杜伊斯堡-埃森大学和巴西IPEN 的科学家合作研究湿法化学还原反应过程中金属纳米粒子形成的反应装置[9]。在持续搅拌的加热容器中，硝酸银、葡萄糖和聚乙烯吡咯烷酮 (PVP) 在水中的混合物形成银纳米粒子。使用蠕动泵将反应混合物泵入SAXS仪器，并在加热的毛细管中进行测量。每次测量进行60秒，得出这60秒的平均值。
图 1：用于跟踪具有原位SAXS表征的银纳米粒子形成的实验示意图。SAXS仪器是Xenocs的Xeuss 2.0，配备GeniX 3D铜靶光源和Pilatus 300K探测器。
将得到的散射图案还原成一位曲线（下图2a数据点）并用Monte Carlo优化方法拟合（下图2a中的实线）。完整数据集的拟合表明银纳米粒子由两个主要群体组成：一个直径约为3nm，另一个直径范围为10到40nm。
根据这些数据，可以推导出两种类型粒子的体积分数，如下图2b所示。在这里，清楚地表明小纳米颗粒的体积分数在合成开始时占主导地位。这些颗粒不断成长为更大的颗粒，在合成过程要结束时占主导地位。形成机制可以从生长速率推导出来。在51分钟之前，这个过程以聚结为主，而过程的最后阶段则以Ostwald熟化为主。
图2(a)：在 90°C 下合成银纳米粒子期间获得的原位 SAXS 数据及拟合结果，采集自Xeuss 2.0, 铜靶Genix3D 光源。
图2(b)：从SAXS 数据中得到的两个粒径分布所对应的体积分数随着反应时间的变化。
这个例子表明，原位SAXS分析银纳米粒子形成不仅能提供所形成粒子的尺寸和形状的详细信息，而且还提供了关于尺寸分布和形成机制的实时信息。这使得能够通过淬灭反应来控制合成结果。
★Xenocs提供的解决方案★
Xenocs的Xeuss和Nano-inXider非常适合此类测量。Xeuss是一种用于实验室的高性能SAXS线站，旨在促进用于软物质和纳米材料分析的超小角、小角和广角X射线散射（USAXS、SAXS和WAXS）。Nano-inXider 通过将卓越的性能与出色的用户体验和较小的占用空间相结合，有助于加速研究。
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