كيف تختار طريقة تحليل حجم الجسيمات المناسبة؟

المساحيق والمعلقات الحقيقية ليست كروية. لذلك تعبّر كل تقنية عن الجسيم غير المنتظم بوصفه «قطر الكرة المكافئة» المعرَّف بالكمية الفيزيائية التي تقيسها فعلياً. فحيود الليزر يعطي قطر الكرة التي تنتج نمط التشتت نفسه، والمجهر يعطي القطر المكافئ لمساحة الإسقاط، أما المناخل فتعطي أصغر فتحة يمكن للجسيم المرور منها. واختلاف الأرقام للعينة ذاتها ليس خطأً، بل نتيجة طبيعية لاختلاف الطريقة.

النقطة الثانية هي الترجيح. ينتج حيود الليزر توزيعاً مرجَّحاً بالحجم، بحيث تدفع بضع جسيمات كبيرة قيمة D50 إلى الأعلى بشكل ملحوظ. في المقابل يعطي المجهر وتشتت الضوء الديناميكي نتائج مرجَّحة بالعدد أو بالشدة تُظهر الجسيمات الدقيقة بوضوح أكبر. لذا ينبغي أن يذكر التقرير الفني السليم، إلى جانب D50، قيمتي D10 وD90 وعرض التوزيع (span) وأساس الترجيح المستخدم.

قبل اختيار الطريقة ننصح بالإجابة عن ثلاثة أسئلة: ما نطاق الحجم المتوقع؟ هل يؤثر شكل الجسيمات أو تكتلها في النتيجة؟ هل ستُقارن البيانات بمواصفة محددة أم تُستخدم لترتيب الدفعات نسبةً إلى بعضها؟ في معظم الحالات تقود الإجابات مباشرة إلى التقنية الصحيحة.

يغطي حيود الليزر (ISO 13320) نطاقاً يمتد من نحو عشرة نانومترات إلى عدة ميليمترات في قياس واحد، ويقدّم خلال دقائق توزيعاً مرجَّحاً بالحجم ذا قوة إحصائية عالية. يتعامل التشتيت الرطب مع المعلقات والمستحلبات والمساحيق القابلة للتشتيت في الماء أو في مذيب عضوي، بينما يتعامل التشتيت الجاف مع المساحيق سهلة الانسياب. وتجعل قابليته العالية للتكرار منه الخيار الطبيعي لمراقبة الجودة ومطابقة المواصفات.

المدخل الحاسم هو النموذج البصري. تتطلب نظرية Mie معامل انكسار الجسيم والوسط معاً إلى جانب معامل امتصاص الجسيم؛ وفي المواد دون الميكرومتر قد يؤدي اختيار معامل خاطئ إلى إزاحة الطرف الدقيق من التوزيع بشكل كبير. أما تقريب Fraunhofer فلا يُقبل إلا للجسيمات الكبيرة المعتمة. لذا ينبغي أن يذكر التقرير السليم النموذج البصري وظروف التشتيت المستخدمة، بما فيها المذيب وزمن المعالجة بالموجات فوق الصوتية وسرعة التحريك.

لا يقدّم حيود الليزر أي معلومات عن شكل الجسيمات، ويعامل التكتل المتماسك كجسيم واحد كبير. وغالباً ما تكون قيمة D90 المرتفعة على نحو غير متوقع علامة على تشتيت غير مكتمل أكثر منها دليلاً على وجود مادة خشنة فعلاً. والمقارنة مع صور SEM هي الوسيلة الأكثر موثوقية لحسم هذا الالتباس.

يصوّر المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) الجسيمات مباشرة. فإلى جانب الحجم، يكشف بنظرة واحدة عن الشكل ونسيج السطح ودرجة التكتل والفرق بين الجسيمات الأولية والعناقيد الثانوية. وفي المواد الصفائحية أو الإبرية أو الليفية يفقد القطر المكافئ الناتج عن حيود الليزر معناه الفيزيائي إلى حد كبير، وتصبح قياسات الطول ونسبة الأبعاد المبنية على الصور أكثر فائدة بكثير.

ثمن الحصول على توزيع حجمي من SEM هو الإحصاء. فالتوزيع المرجَّح بالعدد وفق مبادئ ISO 9276 يتطلب قياس مئات الجسيمات، بل آلافها في التوزيعات العريضة، كما يؤثر تحضير العينة (التشتيت والطلاء) في النتيجة. لذلك نادراً ما يُستخدم SEM كطريقة روتينية مستقلة لمراقبة الجودة؛ وتكمن قيمته الحقيقية في كونه تقنية مرجعية تتحقق من بيانات حيود الليزر وتفسّرها.

في مقياس النانومتر يكون SEM في كثير من الأحيان الطريقة المباشرة الوحيدة المتاحة. ولا ينبغي أبداً الخلط بين حجم الجسيم الأولي دون مئة نانومتر والقطر الهيدروديناميكي الناتج عن تشتت الضوء؛ فالفرق بين القيمتين مفيد بحد ذاته، إذ يعكس طبقة المثبّت على السطح وحالة التكتل في المعلق.

يستخلص تشتت الضوء الديناميكي (DLS، المواصفة ISO 22412) القطر الهيدروديناميكي من الحركة البراونية في المعلقات الغروية المخففة، ويؤدي أفضل أداء من بضعة نانومترات حتى نحو ميكرومتر واحد. ولأنه مرجَّح بالشدة، يمكن لبضع جسيمات كبيرة أو آثار من الغبار أن تهيمن على النتيجة، كما تكون القيمة المتوسطة الواحدة مضللة في العينات ذات مؤشر التشتت العالي. وDLS هو الخيار المعتاد للجسيمات الشحمية والجسيمات النانوية البوليمرية ومحاليل البروتين.

أما التحليل بالمناخل، باستخدام مناخل اختبار وفق سلسلة ISO 3310، فيحتل الطرف الخشن من النطاق. فهو للحبيبات والمساحيق سهلة الانسياب فوق نحو 45 ميكرومتراً طريقة اقتصادية مرجَّحة بالكتلة وسهلة التفسير، وترتبط نتيجته مباشرة بعمليات التصنيف الصناعية. غير أن المواد الرطبة أو المشحونة كهروستاتيكياً أو الصفائحية تسبب انسداد المناخل وتأثيرات التوجيه التي تُدخل أخطاء جسيمة.

إذا كان النطاق المتوقع بين 0.1 و1000 ميكرومتر، وكانت العينة قابلة للتشتيت، وكان الهدف مراقبة المواصفات أو مقارنة الدفعات، فإن حيود الليزر هو الخيار الأول. أضف SEM عندما تكون الجسيمات غير كروية بوضوح، أو يُشتبه في التكتل، أو يكون حجم الجسيم الأولي دون مئة نانومتر. استخدم DLS للمعلقات الغروية المخففة دون ميكرومتر واحد، والمناخل للحبيبات فوق 45 ميكرومتراً. وفي معظم مشاريع التطوير يقدّم استخدام طريقتين متكاملتين معاً رؤية أعمق بكثير من أي طريقة منفردة.

أياً كانت الطريقة المختارة، ينبغي أن يوثّق التقرير إجراء أخذ العينات وتقسيمها، وظروف التشتيت، والنموذج البصري، وعدد القياسات المكررة، وأساس ترجيح قيم D10 وD50 وD90. فبدون هذه التفاصيل لا يمكن مقارنة نتائج مختبرين. وفي NAKTEM نقيّم اختيار الطريقة مع عينتكم، ونعرض نتائج حيود الليزر وSEM جنباً إلى جنب في تقرير واحد حيثما يضيف ذلك قيمة.