Strategie analitiche per la verifica della dimensione delle particelle mediante SEM, DLS, BET e XRD
L’ossido di zinco (ZnO) è noto da decenni come composto versatile, utilizzato sia nei filtri solari e nei cosmetici, sia nei catalizzatori industriali e nella ceramica. Più recentemente, l’avvento della ricerca nel campo delle nanotecnologie ha fatto crescere l’uso del “nano-ZnO”, grazie alle energie superficiali notevolmente più elevate associate alle particelle di dimensioni inferiori a 100 nm.
Negli ultimi tempi, è diventato necessario per organizzazioni come l’iniziativa REACH dell’UE e la FDA degli Stati Uniti stabilire definizioni chiare delle forme “nano” e “non nano” di tali composti, soprattutto perché i nanomateriali possono agire in modo molto diverso in ambienti biologici e ambientali. Stabilire lo stato “nano” di un determinato campione di ZnO sottolinea quindi la necessità di un’analisi di alta qualità.
Questo articolo spiega come determinare se un campione di ossido di zinco è nano o non nano utilizzando le principali tecniche analitiche: microscopia elettronica a scansione (SEM), diffusione dinamica della luce (DLS), l’analisi dell’area superficiale secondo il metodo Brunauer–Emmett–Teller (BET) e la stima delle dimensioni dei cristalliti tramite diffrazione dei raggi X (XRD/XRDC). Ogni metodo fornisce informazioni complementari su dimensioni, morfologia e aggregazione e, insieme, consentono di ottenere una classificazione attendibile e coerente con gli standard internazionali come la norma ISO/TR 13014 e le linee guida dell’OCSE.
1) Capire il significato di “nano
La Commissione Europea afferma che un nanomateriale è un materiale naturale, prodotto accidentalmente o artificiale che consiste in particelle non legate o aggregate/manipolate come aggregati e in cui il 50% o più di queste particelle ha almeno una dimensione misurata esternamente nell’intervallo di dimensioni da 1 a 100 nm. Le polveri di ZnO non nano o microdimensionate hanno diametri delle particelle compresi tra alcune centinaia di nanometri e alcuni micrometri.
Tuttavia, lo ZnO può formare aggregati costituiti da gruppi di cristalliti primari legati in modo lasco e tenuti insieme dalle forze di van der Waals. Questi aggregati possono avere dimensioni molto più grandi di 100 nm nonostante abbiano dimensioni dei cristalliti su scala nanometrica. Per questo motivo, è essenziale distinguere le dimensioni in base ai cristalliti primari e agli aggregati. Le attuali tecniche di analisi non possono servire allo scopo a causa della complessità della determinazione delle dimensioni.
2) Microscopia elettronica a scansione (SEM): Visualizzazione della morfologia delle particelle
Principio e applicazione:
Nel SEM, un fascio di elettroni focalizzato viene utilizzato per creare immagini della superficie con una risoluzione nanometrica. Gli elettroni secondari o retrodiffusi raccolti producono immagini che riflettono le forme proprie delle particelle di ZnO, siano esse sferiche, a forma di bastoncino, esagonali o simili a piastre.
Preparazione del campione:
La polvere di ZnO viene solitamente sospesa su supporti conduttivi in nastro di carbonio, con un sottile rivestimento in oro o platino per evitare la carica. L’accurata sospensione della polvere evita la sovrapposizione delle particelle e consente di determinare la dimensione delle particelle a partire da quelle primarie.
Interpretazione
Le micrografie ad alta risoluzione possono essere utilizzate per determinare le dimensioni delle singole particelle utilizzando un software di analisi delle immagini come ImageJ. Le dimensioni delle particelle dovrebbero essere inferiori a 100 nm. In tal caso, si tratta di nano-ZnO. Inoltre, l’analisi SEM può determinare l’aggregazione delle particelle, la rugosità superficiale e la porosità.
Il SEM fornisce una visualizzazione diretta delle dimensioni, della forma e dei dettagli della superficie delle particelle, ma non dispone di solide capacità di campionamento statistico e può essere influenzato da artefatti dovuti alla preparazione o all’aggregazione dei campioni. Di solito, il nano-ZnO presenta aggregati di cristalliti esagonali delle dimensioni di 20-80 nm, a differenza dei grani lisci di dimensioni micrometriche delle polveri non nano. Per questo motivo, le micrografie al SEM sono solitamente incluse nella documentazione ufficiale per la determinazione delle dimensioni dei nanomateriali.
3) Diffusione dinamica della luce (DLS): Misurazione del diametro idrodinamico
Ipotesi e implementazione:
Il DLS misura le dimensioni delle particelle analizzando le fluttuazioni della luce laser diffusa causate dal moto browniano. Il coefficiente di diffusione DDD di una particella può essere derivato dall’equazione di Stokes-Einstein.
Poiché le particelle di ZnO tendono a formare aggregati nelle soluzioni liquide, la DLS fornisce le dimensioni delle particelle piuttosto che quelle dei singoli cristalliti.
Preparazione del campione:
Utilizza gli ultrasuoni per disperdere lo ZnO in un solvente a bassa forza ionica, come l’etanolo o l’acqua, a pH 7-8. I tensioattivi non devono essere utilizzati come disperdenti. Questi potrebbero introdurre errori nei dati.
Interpretazione
In base ai dati DLS ponderati per l’intensità, un forte picco al di sotto dei 100 nm e un indice di polidispersità inferiore a 0,3 indicano una sospensione prevalentemente su scala nanometrica. I picchi più ampi e superiori a 200 nm indicano aggregazione o sospensioni non nanometriche.
DLS: una tecnica rapida e non distruttiva che funziona perfettamente sulle soluzioni in dispersione. Tuttavia, è influenzata dall’aggregazione, considera solo le particelle sferiche e non può gestire la polvere secca. La DLS aiuta a integrare le tecniche di microscopia come il SEM….
4) Analisi BET dell’area superficiale: Collegamento dell’area superficiale alla dimensione equivalente delle particelle
Principio
Il metodo Brunauer-Emmett-Teller (BET) determina la quantità di azoto gassoso adsorbito sulla superficie di un materiale a temperature criogeniche. È possibile trasformare l’area superficiale specifica (m²/g-¹) in un diametro equivalente delle particelle se si conosce la densità e se le particelle non sono porose e hanno una forma sferica.
dBET = 6/pS
Dove dBET = diametro medio delle particelle, p = densità (per lo ZnO ≈ 5,61 g cm-³) e S = area superficiale BET.
Interpretazione:
Le aree superficiali BET del nano-ZnO (20-50 nm) sono solitamente 20-50 m²/g-¹ o superiori, mentre le aree superficiali BET dello ZnO di dimensioni micron sono inferiori a 5 m²/g-¹. Quindi, un’ampia superficie supporta la classificazione su scala nanometrica anche quando l’imaging diretto è difficile.
Il metodo BET fornisce una media affidabile su un’ampia massa di campioni e non è influenzato dall’agglomerazione delle particelle, il che lo rende utile per misurare l’area superficiale complessiva. Tuttavia, funziona solo con particelle lisce e non porose e non può distinguere tra pori interni e superfici esterne, quindi non è una misura diretta delle dimensioni delle particelle. Per motivi normativi, l’analisi BET viene spesso utilizzata insieme al SEM per garantire che le dimensioni delle particelle determinate dall’area superficiale corrispondano alle forme osservate.
5) Diffrazione dei raggi X (XRD/XRDC): Stima delle dimensioni dei cristalliti
Principio:
La diffrazione di raggi X in polvere determina la struttura cristallina dello ZnO (solitamente esagonale wurtzite) e permette di stimare la dimensione dei cristalliti dall’allargamento dei picchi tramite l’equazione di Scherrer.
D = Κλ/βcos θ
Dove D = dimensione media dei cristalliti, K ≈ 0,9 (fattore di forma), λ = lunghezza d’onda dei raggi X, β = larghezza a metà del massimo (radianti) e θ = angolo di Bragg.
Interpretazione:
Gli ampi picchi di diffrazione sono collegati a piccoli domini coerenti. Una riflessione (101) con β ≈ 0,15° a 2θ = 36° produce D = 35 nm. Ciò significa che, anche quando sono raggruppati, i singoli cristalli di ZnO rimangono su scala nanometrica.
La diffrazione dei raggi X (XRD) ha sia pro che contro. È un metodo ampiamente utilizzato e non distruttivo che fornisce informazioni preziose sulle dimensioni dei cristalliti e sulla purezza delle fasi. Tuttavia, misura solo i domini cristallini coerenti, non le dimensioni degli aggregati, e non può mostrare la forma delle particelle o la morfologia della superficie. Quando si utilizzano metodi avanzati come il raffinamento di Rietveld o l’analisi ad alta risoluzione per ottenere correlazioni più precise tra dimensioni e deformazioni, si usa spesso il termine XRDC (X-ray diffraction crystallography).
6) Combinare più tecniche: Un quadro decisionale
Per determinare con precisione se lo ZnO è nano o non nano è necessario un approccio multimetodo, poiché ogni strumento analitico esamina un aspetto diverso della dimensione delle particelle. Il flusso di lavoro generale inizia con il SEM per analizzare la morfologia e stimare le dimensioni delle particelle primarie. Successivamente, si utilizza la XRD/XRDC per confermare le dimensioni dei cristalliti e per individuare i domini su scala nanometrica.
Successivamente, viene utilizzata un’analisi BET per determinare la relazione tra l’area superficiale e il diametro equivalente delle particelle. La DLS viene poi utilizzata per determinare la dimensione idrodinamica in mezzi di comunicazione rilevanti, come le formulazioni di protezione solare. Se due metodi indipendenti, in genere SEM e XRD, indicano dimensioni delle particelle inferiori a 100 nm, il materiale viene definito nano-ZnO. Se tutte le dimensioni misurate sono superiori a 100 nm e l’area superficiale BET è bassa, il materiale viene definito non-nano ZnO.
Esempio di classificazione:
| Tecnica | Parametro | Tipico Nano-ZnO | Tipico Non-Nano ZnO |
| SEM | Dimensione primaria delle particelle | 20-80 nm | 200 nm-5 µm |
| DLS | Dimensione idrodinamica | 50-150 nm | > 500 nm |
| BET | Superficie | 20-60 m² g-¹ | 1-5 m² g-¹ |
| XRD | Dimensione dei cristalliti | 20-60 nm | > 150 nm |
L’utilizzo di queste soglie consente ai laboratori di riportare prove quantitative in conformità alla norma ISO 9276 (analisi granulometrica).
7) Tecniche emergenti
Oggi esistono nuovi strumenti analitici che stanno migliorando la classificazione delle dimensioni dello ZnO al di là dei quattro metodi classici:
- Microscopia elettronica a trasmissione (TEM): Fornisce una risoluzione molto elevata per le frange reticolari e i confini esatti dei cristalliti.
- Scattering a raggi X di piccolo angolo (SAXS): Fornisce la distribuzione granulometrica Ensemble in situ, che funziona bene con il DLS.
- AFM (microscopia a forza atomica): È utile per misurare lo spessore dei rivestimenti e la rugosità delle superfici dei film.
- Spettroscopia Raman e fotoluminescenza: Queste tecniche analizzano indirettamente gli effetti di confinamento quantistico, che si verificano solo a livello di nanoscala.
Questi metodi avanzati aggiungono elementi di prova quando il materiale si avvicina al limite dei 100 nm.
Conclusione
Per scoprire se l’ossido di zinco è nano o meno, non basta guardarlo o leggere la descrizione commerciale. È necessario utilizzare una combinazione di misurazioni analitiche convalidate. Il SEM mostra la forma e le dimensioni delle particelle primarie; il DLS mostra la dispersione delle particelle; il BET misura l’area superficiale in relazione alle dimensioni delle particelle e l’XRD/XRDC mostra le dimensioni dei cristalliti. Se osservati insieme, questi metodi forniscono un quadro chiaro che si allinea alle definizioni internazionali di nanomateriali.
Per i formulatori, i ricercatori e le autorità di regolamentazione, questo livello di dettaglio è necessario per garantire che i prodotti siano sicuri, abbiano prestazioni costanti e siano conformi alle norme in evoluzione sui nanomateriali. Se il tuo ZnO ha cristalliti più piccoli di 100 nm al SEM e alla XRD, un’elevata area superficiale BET e picchi DLS più piccoli di 200 nm, allora hai un vero e proprio nano-ossido di zinco. In caso contrario, è ancora non-nano, il che significa che si comporta, ha un aspetto e viene classificato come una massa.
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Domande frequenti
Qual è la differenza tra l’ossido di zinco nano e quello non nano?
Per ossido di zinco nano si intendono particelle in cui almeno il 50% ha una dimensione esterna compresa tra 1 e 100 nm. L’ossido di zinco non nano è in genere costituito da particelle con dimensioni che vanno da alcune centinaia di nanometri a un micrometro. Questa distinzione è importante perché i materiali su scala nanometrica hanno un’energia superficiale maggiore e possono comportarsi in modo diverso nelle formulazioni e negli ambienti biologici.
Perché è importante stabilire se l’ossido di zinco sia nano o non nano?
La classificazione dei nanomateriali è importante per la conformità normativa e la sicurezza dei prodotti. Autorità come l’UE nell’ambito del regolamento REACH e la FDA statunitense richiedono una chiara identificazione dei nanomateriali, poiché il loro comportamento nei sistemi biologici e ambientali può differire da quello delle particelle più grandi.
Perché non basta una sola tecnica per determinare la dimensione delle particelle di ZnO?
L’ossido di zinco forma spesso aggregati costituiti da cristalliti più piccoli. Questi aggregati possono avere dimensioni superiori a 100 nm, anche se le particelle primarie rimangono su scala nanometrica. Dato che ogni metodo analitico misura un aspetto diverso della struttura delle particelle, per una classificazione affidabile servono diverse tecniche.
In che modo la SEM aiuta a determinare la dimensione delle particelle di ossido di zinco?
La microscopia elettronica a scansione fornisce immagini ad alta risoluzione delle particelle di ZnO. Queste immagini permettono ai ricercatori di osservare la forma, la morfologia e la dimensione approssimativa delle particelle primarie, aiutando a distinguere le particelle su scala nanometrica dai grani più grandi.
Cosa misura il DLS nell’analisi dell’ossido di zinco?
La diffusione dinamica della luce misura il diametro idrodinamico delle particelle sospese in un liquido analizzando le fluttuazioni della luce laser diffusa. Questo metodo riflette le dimensioni delle particelle o degli aggregati presenti nella dispersione, piuttosto che quelle dei singoli cristalliti.
In che modo l’area superficiale BET indica la presenza di ossido di zinco su scala nanometrica?
Il metodo BET misura l’area superficiale specifica tramite adsorbimento di gas. Le particelle su scala nanometrica presentano una superficie maggiore, quindi il nano-ZnO mostra in genere valori BET significativamente più elevati rispetto alle polveri di dimensioni micrometriche.
Quali informazioni fornisce la XRD sulle particelle di ossido di zinco?
La diffrazione dei raggi X permette di identificare la struttura cristallina dello ZnO e di stimare la dimensione dei cristalliti in base all’allargamento dei picchi. Questo aiuta a capire se i singoli domini cristallini rimangono nella scala nanometrica.
Perché si usano più tecniche insieme?
Ogni tecnica misura una proprietà diversa del materiale. Il SEM mostra la morfologia delle particelle, il DLS misura la dimensione delle particelle disperse, il BET calcola l’area superficiale e l’XRD stima la dimensione dei cristalliti. Insieme, forniscono prove più solide per la classificazione nanometrica.
