Università degli studi di Padova facoltà di scienze matematiche, fisiche e naturali dipartimento di fisica galileo galilei Corso di Laurea Triennale in Fisica Caratterizzazione di nanoparticelle mediante diffusione di luce in campo vicino Relatore: Dott.Matteo Pierno Correlatore: Dott. Michele Merano Laureando: Mazzarolo Elia Anno accademico 2010/2011
Indice Introduzione 1 1 Teoria della diffusione in campo vicino 4 1.1 Immagini in campo vicino........................ 4 1.2 Intensità della luce diffusa........................ 4 1.3 Passaggio al vettore d onda trasferito.................. 7 1.4 Relazione tra tempo di esposizione e Image Power Spectrum..... 8 2 Acquisizione ed analisi dati 10 2.1 Apparato sperimentale.......................... 10 2.2 Preparazione dei campioni........................ 12 2.3 Software per l analisi dati........................ 13 2.4 Acquisizione delle immagini....................... 17 3 Risultati 18 3.1 Distribuzione di intensità statica..................... 18 3.2 Coefficiente di correlazione temporale.................. 19 4 Conclusioni 21 ii
Introduzione Lo studio di come la luce interagisce con un campione permette di ottenere informazioni sulla natura del campione stesso: per esempio, osservando l angolo di deviazione di un fascio luminoso collimato, fatto incidere su un oggetto, è possibile dedurre l indice di rifrazione dell oggetto stesso. Se l indice di rifrazione del campione varia all interno di esso, la luce, dopo averlo attraversato, esce da esso in direzioni diverse a seconda del punto in cui è entrata nel campione; in tal caso si dice che la luce è stata diffusa. In figura 1 si può vedere l effetto della diffusione della luce da parte di sospensioni di sfere di PMMA (polimetil-metacrilato) a diverse concentrazioni, la luce bianca è soggetta alla diffrazione di Bragg dei piani cristallini che ne evidenzia le diverse lunghezze d onda. Figura 1: Diffusione della luce da parte di sospensioni di sfere rigide di PMMA (poli-metil-metacrilato) a diverse concentrazioni [9] Quando il campione è una sospensione colloidale, ovvero di particelle di dimensioni comprese tra i 10 e i 1000 nm, l indice di rifrazione dipende dalla forma, dalle dimensioni e dalla posizione delle particelle in sospensione, oltre che dalle caratteristiche del solvente. I sistemi di tipo colloidale sono alla base delle nanotecnologie, in particolar modo nell industria farmaceutica, alimentare, cosmetica, e petrolifera. Le particelle che compongono tali sospensioni hanno dimensioni inferiori alla decina di micron, quindi non sono facilmente osservabili con normali microscopi ottici; 1
d altra parte la loro taglia cade proprio nella regione visibile dello spettro e per per caratterizzarle risulta conveniente osservare la luce diffusa dalla sospensione, piuttosto che cercare di osservarle direttamente. Quando si studia la luce diffusa, il parametro più importante è l intensità della radiazione in funzione alla deviazione subita rispetto alla direzione originale del fascio incidente, di solito indicata dal vettore d onda di scattering, ovvero la differenza tra il vettore d onda del fascio incidente e quello della luce diffusa alla direzione originale del fascio incidente, di solito indicata dal vettore d onda trasferito, ovvero la differenza tra il vettore d onda della luce diffusa e quello del fascio incidente. Il metodo classico per trovare la distribuzione di intensità della luce diffusa è porsi in condizioni di campo lontano ed effettuare una misura diretta mediante una telecamera, tipicamente CCD o CMOS. Con tale configurazione ad ogni pixel del rilevatore corrisponde un preciso vettore d onda trasferito. Tuttavia il fondo ottico, dovuto alle imperfezioni dell apparato, diventa sempre più importante a vettori d onda bassi, fino a rendere estremamente difficile ottenere misure soddisfacenti. Per ovviare a tale problema, sono state recentemente proposte delle nuove tecniche di misura, basate sull acquisizione di immagini in campo vicino, dove le componenti della luce diffusa a diversi vettori d onda danno vita a fenomeni di interferenza tra loro e con la radiazione trasmessa. A seconda che si lasci incidere sul rivelatore il fascio trasmesso insieme alla luce diffusa o meno, la tecnica è chiamata Diffusione in Campo Vicino Eterodina [5] od Omodina [6]. Nel campo vicino si perde la relazione diretta tra posizione del rilevatore e vettore d onda trasferito misurato: questo rende più complicata l analisi delle immagini raccolte, ma assicura anche che il fondo ottico non crei problemi nell ottenere l intensità ai vettori più piccoli. Inoltre l apparato necessario è molto più compatto e semplice rispetto a quello necessario per le misure in campo lontano, soprattutto nel caso eterodino, in cui non serve nemmeno bloccare il raggio trasmesso. Le immagini dell intensità diffusa da una sospensione colloidale presentano delle macchie, il cosiddetto speckle pattern, dovute all interferenza della luce diffusa da particelle distribuite caoticamente nel campione. La funzione di correlazione spaziale del campo speckle è legata all intensità della luce diffusa a diversi vettori d onda trasmessi, mentre la correlazione temporale è legata alla dinamica delle particelle. Ricapitolando le principali caratteristiche dell analisi di luce diffusa in campo lontano e campo vicino possono essere schematizzate nella tabella 1: 2
Campo lontano Apparato ingombrante, complesso e costoso. Misure poco affidabili a piccoli vettori d onda trasferiti a causa del fondo ottico. Nessun limite superiore sul vettore d onda trasferito analizzabile. Analisi delle immagini acquisite semplice. Campo vicino Apparato semplice, compatto ed economico. Possibilità di misurare l intensità a vettori d onda trasferiti molto piccoli. Esiste un vettore d onda trasferito massimo, dipendente dalle caratteristiche ottiche dell apparato, oltre il quale non è più possibile misurare l intensità della luce diffusa. Analisi delle immagini acquisite complessa Tabella 1: Confronto tra le tecniche di diffusione in campo lontano ed in campo vicino L obiettivo del lavoro di tesi è la costruzione di un apparato per misure di diffusione eterodina in campo vicino di soluzioni colloidali e la realizzazione di un software per analizzare le immagini raccolte, che calcoli la distribuzione dell intensità della luce diffusa in funzione del vettore d onda trasferito e il coefficiente di correlazione temporale dei campioni. 3