Difracción Láser para la Medición de Partículas – Teoría Explicada Sencillamente en Una Figura

por Maria Ma, Thursday, 28th January 2021

Por supuesto. Tenemos notas e instrucciones muy bien escritas. Y con nuestra ayuda en el desarrollo de métodos, los casos son raros cuando nos detenemos a reflexionar sobre las teorías fundamentales detrás de la tecnología del Mastersizer 3000. No obstante, necesitaremos resolver problemas, desafiar el instrumento, personalizar SOPs… (Y también nos da curiosidad). Entonces, la comprensión de la teoría se vuelve esencial. El único problema es que parece ser complicado. Por ello, me desafío constantemente sobre cómo comunicar la teoría de la manera más simple posible. Ahora se resume en «Cuatro Eventos» y «Cuatro Escenarios».

Cuatro Eventos:

La luz incidente golpea la partícula
La luz interactúa con la partícula
La luz sale de la partícula
La luz saliente es detectada y analizada por los detectores y el software

Cuatro Escenarios, de simple a complejo:

Por favor, lea las descripciones en la tabla correspondientemente con la figura a continuación.

	Opaco	No opaco
Una partícula / un tamaño	1. Una partícula esférica opaca solo difracta la luz en su borde. La luz no entra en la partícula. Matemáticamente, simplemente sigue las reglas de una onda mecánica, como una onda de agua al pasar una piedra. Cada tamaño tiene su patrón de difracción único. Puede aplicarse la aproximación de Fraunhofer o la solución de Mie con un índice de refracción muy alto (por ejemplo, 2.3, como referencia, el acero tiene un índice de refracción de alrededor de 2.5).	2. Una partícula esférica no opaca dispersa la luz. En este caso, la luz incidente, como onda electromagnética, entra en la partícula e interactúa con sus nubes de electrones. El patrón de la luz que sale de la partícula está descrito por la solución de Mie a las ecuaciones de Maxwell. Este patrón de luz dispersa también es único para una partícula con un cierto tamaño y ciertas propiedades ópticas.
Distribución de Tamaños	3. Para descubrir la distribución de tamaños de partículas opacas, se aplicará un algoritmo de iteración para encontrar los tamaños de partícula que mejor se ajusten al patrón de luz detectado. Puede aplicarse la aproximación de Fraunhofer o la solución de Mie con un índice de refracción muy alto.	4. Para descubrir la distribución de tamaños de partículas no opacas, se aplicará un algoritmo de iteración para encontrar los tamaños de partícula que mejor se ajusten al patrón de luz detectado. Se aplica la solución de Mie con propiedades ópticas dadas.

Estos cuatro escenarios, de simple a complejo, representan un desarrollo histórico de la tecnología. Hoy en día, estamos casi siempre en el cuarto escenario – “partículas no opacas con un perfil de distribución de tamaño”. Por lo tanto, la solución de Mie, que describe la dispersión de luz en general, se utiliza en la gran mayoría de los casos. Cubre todos los rangos de tamaño y todas las propiedades ópticas. Sin embargo, continuamos usando el término – “difracción láser” – por razones históricas. Puede ser confuso, pero espero que ya no más si ha llegado hasta aquí. En los casos en que las partículas sean opacas (por ejemplo, índice de refracción > 2) y/o la partícula sea lo suficientemente grande (por ejemplo, tamaño mayor que 10 veces la longitud de onda), la solución de Mie puede converger a la aproximación de Fraunhofer con el beneficio de cálculos más simples (lo cual no es tan atractivo para las computadoras modernas).

Los Límites de la Tecnología

La «difracción láser» es una tecnología de “primer principio” que no necesita calibraciones. Esto se debe a que el perfil angular dependiente de la luz dispersa está directamente determinado por el tamaño de la partícula y sus propiedades ópticas. Es posible medir tamaños de partículas de 0.01µm a 3500µm. Fuera de este rango, la dependencia angular de la luz dispersa se vuelve demasiado difícil de detectar. En el límite inferior, la luz dispersa se vuelve demasiado isotrópica, mientras que en el límite superior, la luz incidente apenas se desvía de su dirección de incidencia.

Formas No Esféricas

Además de la no opacidad y polidispersidad, la forma no esférica de la partícula es otra complejidad. Por un lado, las partículas pequeñas de forma irregular (<1μm) despolarizan la luz más fuertemente en una dirección. Tenemos una opción «No Esférica» en el software que permite interpretar correctamente la dispersión a ángulos altos. De lo contrario, el software asumiría la irregularidad como una población de partículas diferente. Por eso, algunos instrumentos de difracción láser tienden a informar distribuciones de tamaño de partícula bimodales para partículas no esféricas.

Optimizador de Propiedades Ópticas

Las propiedades ópticas – índice de refracción (RI) – pueden ser más complicadas (de lo que ya son) cuando se trata de formas no esféricas. RI tiene una parte real y una parte imaginaria. La parte real representa la refracción mientras que la parte imaginaria maneja la atenuación, conocida como el «índice de absorción». Una partícula de forma irregular tiende a tener un índice de absorción más alto ya que las irregularidades en la superficie absorben luz. En caso de no estar seguros de los valores del índice, nuestro software tiene un “Optimizador de Propiedades Ópticas” que escanea un rango de valores de índice para encontrar los que tienen más sentido. Para más discusiones, no dude en contactarme ya que ayudarle es la parte más satisfactoria de mi trabajo.

Lecturas adicionales

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