Certo, abbiamo note e istruzioni redatte benissimo. E grazie al nostro supporto sugli sviluppi metodologici, sono rare le occasioni in cui ci fermiamo a riflettere sulle teorie fondanti che stanno alla base della tecnologia del Mastersizer 3000. Tuttavia, incontreremo problemi da risolvere, dovremo occuparci dello strumento, personalizzare le POS (procedure operative standard) etc… (E potremmo anche semplicemente incuriosirci). Allora, comprendere gli aspetti teorici diventa essenziale. L’unico problema è che sembra davvero complicato. Pertanto, ci interroghiamo continuamente su come trasmettere la teoria nel modo più semplice possibile. Ora, si tratta di “Quattro eventi” e “Quattro scenari”.
1. La luce incidente colpisce la particella
2. La luce interagisce con la particella
3. La luce esce dalla particella
4. La luce che fuoriesce viene rilevata e analizzata dai rilevatori e dal software
Quattro scenari, dal più semplice al più complesso
| Opaca | Non Opaca | |
| Una particella/una dimensione | 1. Una particella sferica opaca diffrange la luce esclusivamente alle estremità. La luce non penetra nella particella. Dal punto di vista matematico, segue semplicemente le regole di un’onda meccanica, come un’onda d’acqua che passa su una pietra. Ogni dimensione corrisponde a un singolo modello di diffrazione. Si può applicare l’approssimazione di Fraunhofer, oppure la soluzione Mie con un indice di rifrazione molto elevato (es. 2,3 – per farsi un’idea, l’acciaio ha un indice di rifrazione pari a circa 2,5). | 2. Una particella sferica non opaca riflette la luce. In questo caso, la luce incidente, come un’onda elettromagnetica, penetra nella particella e interagisce con le sue nuvole di elettroni. Il modello della luce che fuoriesce dalla particella viene descritto dalla soluzione Mie secondo le equazioni di Maxwell. Questo modello a luce diffusa è proprio di una particella di determinate dimensioni e con determinate proprietà ottiche. |
| Distribuzione dimensionale | 3. Al fine di scoprire la distribuzione dimensionale di particelle opache si applicherà un algoritmo iterativo per individuare le dimensioni di particelle che corrispondono meglio al modello di luce individuato. Si possono applicare l’approssimazione di Fraunhofer o la soluzione Mie con indice di rifrazione molto elevato. | 4. Al fine di scoprire la distribuzione dimensionale di particelle non-opache si applicherà un algoritmo di iterazione per individuare le dimensioni di particelle che corrispondono meglio al modello di luce individuato. Si applica la soluzione Mie con determinate proprietà ottiche. |
Questi quattro scenari, dal più semplice al più complesso, rappresentano lo sviluppo storico della tecnologia in oggetto. Al giorno d’oggi ci troviamo quasi sempre di fronte al quarto scenario – “particelle non opache con profilo di distribuzione dimensionale”. Pertanto, la soluzione Mie, che descrive la diffusione della luce in generale, viene usata nell’assoluta maggioranza dei casi. Copre tutte le gamme di dimensioni e tutte le proprietà ottiche. Tuttavia, continuiamo ad utilizzare la terminologia – “diffrazione laser” – per ragioni storiche. Può creare confusione, ma si spera di no, dopo che avrete letto fino a qui. Nei casi in cui le particelle sono opache (ossia indice di rifrazione > 2) e/o la particella è abbastanza grande (ossia, dimensioni superiori a 10 volte la lunghezza d’onda), la soluzione Mie può convergere verso l’approssimazione Fraunhofer, col vantaggio di calcoli più semplici (che non è poi così importante, con i moderni computer).
I limiti della tecnologia
La Diffrazione laser è una tecnologia fondata su un “principio fondamentale” che non richiede taratura. Questo perché il profilo dipendente angolare della luce diffusa è direttamente determinato dalla dimensione della particella e dalle sue proprietà ottiche. E’ possibile misurare dimensioni di particelle comprese tra 0,01µm e 3500µm. Al di fuori di questa gamma, la dipendenza angolare della luce diffusa diventa troppo difficile da rilevare. Sul limite inferiore, la luce diffusa diventa troppo isotropa, mentre sul limite superiore, la luce incidente devia raramente dalla propria direzione di incidenza.
Forme non sferiche
Oltre alla non-opacità e alla polidispersione, un altro elemento di complessità è la forma non sferica della particella. Da una parte, le piccole particelle di forma irregolare (<1μm) depolarizzano la luce con maggiore forza verso una direzione. Disponiamo di un’opzione “Non-sferica” nel software, che consente di interpretare in modo corretto la diffusione ad angolazione elevata. Altrimenti, il software considererebbe l’irregolarità come una popolazione diversa di particelle. Ecco perché alcuni strumenti a diffrazione laser tendono a riportare distribuzioni dimensionale di particelle bi-modali per le particelle non-sferiche.
Ottimizzatore delle proprietà ottiche
Le proprietà ottiche – indice di rifrazione (RI) – possono essere più complesse (di quanto già siano) quando si tratta di forme non sferiche. Il RI ha una componente reale e una componente astratta. La componente reale considera la rifrazione, mentre quella astratta riguarda l’attenuazione, nota come “indice di assorbimento”. Una particella di forma irregolare tende ad avere un indice di assorbimento più elevato, dal momento che le irregolarità della superficie assorbono la luce. Nel caso in cui non siamo sicuri dei valori di indice, il software del Mastersizer 3000 dispone di un “Ottimizzatore delle proprietà ottiche ” che analizza una gamma di valori indice per individuare quelli che sembrano più corretti. Se avete ulteriori dubbi, non esitate a contattarci!
