XRD應用分享 | 小角X射線散射

X射線小角散射（Small Angle X-ray scattering，SAXS）是通過收集X射線穿過樣品之后產生的散射信號，來研究樣品1~100 nm范圍之內結構信息的技術。SAXS對樣品的形式沒有特定要求，塊狀，粉末和液體均可，但要求感興趣的結構與周圍環境有電子密度起伏，即襯度。 

圖1 SAXS的散射幾何

實例一

由于納米顆粒形貌和尺寸會對其物化性能均會產生影響，為了實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技術是個非常必要的選擇。首先利用TEM對納米顆粒形貌及尺寸進行初步分析，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）對數據進行分析得到了不同的p值。當p=1時，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性質，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和微觀結構演變的影響， 利用原位SAXS實時監控兩種不同溶劑溶脹的再生纖維素凝膠珠干燥過程。通過擬合數據得到了四個參數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是與形狀相關的因子，當s1=s2=0是為球形，當s1=1，s2=0時為柱狀，而s1=2，s2=0時為層狀。與從乙醇中干燥相比，從水中干燥纖維素經歷了更復雜的變化過程。隨著水溶脹的珠子變干，他們會發生結構上的轉變，其中拉長的結構變成了球形結構，而在乙醇中干燥時，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。(c) 在水膨脹珠干燥的 60 分鐘的時間跨度內的SAXS數據圖，每30秒采一條譜。 (d) 乙醇溶脹珠的整個 SAXS 數據圖，時間跨度為30 分鐘，每15秒采一條譜。干燥過程中（e）水膨脹和（f）乙醇膨脹珠的兩個擬合長度尺度參數（Rg1 和 Rg2）的蒸發引起的時間相關變化。在干燥過程中，(g) 水溶脹珠和 (h) 乙醇溶脹珠的“維度"參數（s1 和 s2）因蒸發而隨時間變化。 

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.