XRD应用分享 | 小角X射线散射

X射线小角散射（Small Angle X-ray scattering，SAXS）是通过收集X射线穿过样品之后产生的散射信号，来研究样品1~100 nm范围之内结构信息的技术。SAXS对样品的形式没有特定要求，块状，粉末和液体均可，但要求感兴趣的结构与周围环境有电子密度起伏，即衬度。 

图1 SAXS的散射几何

实例一

由于纳米颗粒形貌和尺寸会对其物化性能均会产生影响，为了实现更精确的纳米颗粒形貌和尺寸的分析，以便更好的利用纳米颗粒，采用更具有统计意义的SAXS技术是个非常必要的选择。首先利用TEM对纳米颗粒形貌及尺寸进行初步分析，然后采集不同的纳米颗粒分散液的SAXS数据，利用不同的形状因子（即，cube，sphere， 和superball）对数据进行分析得到了不同的p值。当p=1时，纳米颗粒为球形，当,纳米颗粒则为立方体。拟合到的p值显示在图2(a)中。[1]

图2 （a）四种不同形状的纳米颗粒的TEM图片和（b）SAXS数据及拟合结果

实例二 

纤维素是一种可再生，可生物降解的材料，具有很高的强度，低密度，高表面积和可调节的表面化学性质，从而使其可控地与其他聚合物和纳米材料相互作用。为了确定了水溶胀和乙醇溶胀的对再生纤维素凝胶珠的宏观和微观结构演变的影响， 利用原位SAXS实时监控两种不同溶剂溶胀的再生纤维素凝胶珠干燥过程。通过拟合数据得到了四个参数Rg1, Rg2, s1, s2，其中Rg1 和 Rg2分别表示纤维素单体和聚合体的大小， s1和s2是与形状相关的因子，当s1=s2=0是为球形，当s1=1，s2=0时为柱状，而s1=2，s2=0时为层状。与从乙醇中干燥相比，从水中干燥纤维素经历了更复杂的变化过程。随着水溶胀的珠子变干，他们会发生结构上的转变，其中拉长的结构变成了球形结构，而在乙醇中干燥时，形貌变化较小。[2]

图3 （a）原位SAXS测试示意图。（b）干燥 5、25 和 50 分钟后水溶胀凝胶珠的 SAXS 数据和拟合曲线。(c) 在水膨胀珠干燥的 60 分钟的时间跨度内的SAXS数据图，每30秒采一条谱。 (d) 乙醇溶胀珠的整个 SAXS 数据图，时间跨度为30 分钟，每15秒采一条谱。干燥过程中（e）水膨胀和（f）乙醇膨胀珠的两个拟合长度尺度参数（Rg1 和 Rg2）的蒸发引起的时间相关变化。在干燥过程中，(g) 水溶胀珠和 (h) 乙醇溶胀珠的“维度”参数（s1 和 s2）因蒸发而随时间变化。 

参考文献：

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.