{"id":10845,"date":"2025-11-03T16:18:45","date_gmt":"2025-11-03T16:18:45","guid":{"rendered":"https:\/\/www.vizorsun.com\/wie-man-erkennt-ob-zinkoxid-nano-oder-nicht-nano-ist\/"},"modified":"2025-11-03T16:18:45","modified_gmt":"2025-11-03T16:18:45","slug":"wie-man-erkennt-ob-zinkoxid-nano-oder-nicht-nano-ist","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.vizorsun.com\/de\/wie-man-erkennt-ob-zinkoxid-nano-oder-nicht-nano-ist\/","title":{"rendered":"Wie man erkennt, ob Zinkoxid nano oder nicht nano ist"},"content":{"rendered":"

Analytische Strategien zur \u00dcberpr\u00fcfung der Partikelgr\u00f6\u00dfe mit SEM, DLS, BET und XRD<\/strong><\/h4>\n

Zinkoxid (ZnO) ist seit Jahrzehnten als vielseitige Verbindung f\u00fcr die Verwendung in Sonnenschutzmitteln und Kosmetika sowie als industrieller Katalysator und Keramik bekannt. In j\u00fcngster Zeit hat die Forschung im Bereich der Nanotechnologie die Verwendung von ‚Nano-ZnO‘ aufgrund der drastisch h\u00f6heren Oberfl\u00e4chenenergien, die mit Partikelgr\u00f6\u00dfen von weniger als 100 nm<\/a> verbunden sind, verst\u00e4rkt. <\/p>\n

In letzter Zeit ist es f\u00fcr Organisationen wie die REACH-Initiative der EU und die US-amerikanische FDA notwendig geworden, klare Definitionen f\u00fcr „Nano“- und „Nicht-Nano“-Formen solcher Verbindungen festzulegen, zumal Nanomaterialien in der Biologie und der Umwelt ganz unterschiedlich wirken k\u00f6nnen. Die Bestimmung des „Nano“-Status einer bestimmten ZnO-Probe unterstreicht daher die Notwendigkeit einer qualitativ hochwertigen Analyse<\/a>. <\/p>\n

In diesem Artikel wird erkl\u00e4rt, wie Sie mithilfe der wichtigsten Analysetechniken feststellen k\u00f6nnen, ob eine Zinkoxidprobe nano- oder nicht-nano ist: Rasterelektronenmikroskopie (REM), dynamische Lichtstreuung (DLS), Oberfl\u00e4chenanalyse nach Brunauer-Emmett-Teller (BET) und R\u00f6ntgenbeugung zur Bestimmung der Kristallitgr\u00f6\u00dfe (XRD\/XRDC). Jede Methode liefert erg\u00e4nzende Informationen \u00fcber Gr\u00f6\u00dfe, Morphologie und Aggregation. Zusammen ergeben sie eine vertretbare Klassifizierung, die mit internationalen Standards wie ISO\/TR 13014 und OECD-Richtlinien<\/a> \u00fcbereinstimmt. <\/p>\n

1) Die Bedeutung von ‚Nano‘ verstehen<\/strong><\/h3>\n

Die Europ\u00e4ische Kommission erkl\u00e4rt, dass ein Nanomaterial ein nat\u00fcrliches, zuf\u00e4llig hergestelltes oder k\u00fcnstliches Material ist, das aus Partikeln besteht, die ungebunden sind oder als Aggregate zusammengeballt sind und bei denen 50 % oder mehr dieser Partikel mindestens eine von au\u00dfen gemessene Abmessung im Gr\u00f6\u00dfenbereich von 1 – 100 nm aufweisen. ZnO-Pulver in Nicht-Nano- oder Mikrogr\u00f6\u00dfe haben Partikeldurchmesser von mehreren hundert Nanometern bis zu einigen Mikrometern<\/a>. <\/p>\n

\"\"<\/p>\n

ZnO kann jedoch Aggregate bilden, die aus lose verbundenen Gruppen von Prim\u00e4rkristalliten bestehen, die durch van der Waals-Kr\u00e4fte zusammengehalten werden. Diese Aggregate k\u00f6nnen viel gr\u00f6\u00dfer als 100 nm sein, obwohl sie Kristallitgr\u00f6\u00dfen im Nanobereich haben. Daher ist es wichtig, zwischen der Gr\u00f6\u00dfe von Prim\u00e4rkristalliten und Aggregaten zu unterscheiden. Aufgrund der Komplexit\u00e4t der Gr\u00f6\u00dfenbestimmung<\/a> k\u00f6nnen die derzeitigen Analysetechniken diesen Zweck nicht erf\u00fcllen. <\/p>\n

2) Rasterelektronenmikroskopie (SEM): Die Morphologie der Partikel sichtbar machen<\/strong><\/h3>\n

Prinzip und Anwendung:<\/strong><\/h4>\n

Beim SEM wird ein fokussierter Elektronenstrahl verwendet, um Bilder der Oberfl\u00e4che mit einer Aufl\u00f6sung im Nanometerbereich zu erzeugen. Die gesammelten sekund\u00e4ren oder r\u00fcckgestreuten Elektronen erzeugen Bilder, die die richtige Form der ZnO-Partikel widerspiegeln, ob kugelf\u00f6rmig, stabf\u00f6rmig, hexagonal oder plattenf\u00f6rmig<\/a>… <\/p>\n

Probenvorbereitung:<\/strong><\/h4>\n

Das ZnO-Pulver wird in der Regel auf leitf\u00e4higen Kohlenstoffbandtr\u00e4gern suspendiert, die mit einer d\u00fcnnen Gold- oder Platinschicht \u00fcberzogen sind, um Aufladung zu vermeiden. Die sorgf\u00e4ltige Suspendierung des Pulvers verhindert eine \u00dcberlagerung der Partikel und erm\u00f6glicht die Bestimmung der Partikelgr\u00f6\u00dfe anhand der Prim\u00e4rpartikel. <\/p>\n

Interpretation<\/strong><\/h4>\n

Mithilfe von hochaufl\u00f6senden Mikrofotografien k\u00f6nnen Sie die Gr\u00f6\u00dfe einzelner Partikel mit einer Bildanalysesoftware wie ImageJ bestimmen. Die Partikelgr\u00f6\u00dfe sollte unter 100 nm liegen. Wenn das der Fall ist, handelt es sich um Nano-ZnO. Au\u00dferdem kann die REM-Analyse die Partikelaggregation, die Oberfl\u00e4chenrauhigkeit und die Porosit\u00e4t bestimmen. <\/p>\n

Die REM bietet eine direkte Visualisierung von Partikelgr\u00f6\u00dfe, Form und Oberfl\u00e4chendetails, verf\u00fcgt jedoch nicht \u00fcber robuste statistische Stichprobenfunktionen und kann durch Artefakte der Probenvorbereitung oder Aggregation beeintr\u00e4chtigt werden. Normalerweise weist nano-ZnO 20-80 nm gro\u00dfe hexagonale Kristallit-Aggregate auf, im Gegensatz zu den glatten, mikrometergro\u00dfen K\u00f6rnern von Nicht-Nano-Pulvern. Daher werden in der Regel REM-Mikrofotografien in die offizielle Dokumentation zur Gr\u00f6\u00dfenbestimmung<\/a> von Nanomaterialien aufgenommen. <\/p>\n

3) Dynamische Lichtstreuung (DLS): Messung des hydrodynamischen Durchmessers<\/strong><\/h3>\n

Annahme und Umsetzung:<\/strong><\/h4>\n

DLS misst die Partikelgr\u00f6\u00dfe durch die Analyse von Fluktuationen im gestreuten Laserlicht, die durch Brownsche Bewegung verursacht werden. Der Diffusionskoeffizient DDD eines Partikels l\u00e4sst sich aus der Stokes-Einstein-Gleichung ableiten. <\/p>\n

Da ZnO-Partikel dazu neigen, in fl\u00fcssigen L\u00f6sungen Aggregate zu bilden, liefert DLS eher die Partikelgr\u00f6\u00dfe als die Gr\u00f6\u00dfe der<\/a> einzelnen Kristallite.<\/p>\n

Probenvorbereitung:<\/strong><\/h4>\n

Verwenden Sie Ultraschall, um ZnO in einem L\u00f6sungsmittel mit niedriger Ionenst\u00e4rke, wie Ethanol oder Wasser, bei einem pH-Wert von 7-8 zu dispergieren. Tenside sollten nicht als Dispersionsmittel verwendet werden. Diese k\u00f6nnten die Daten verf\u00e4lschen. <\/p>\n

Interpretation<\/strong><\/h4>\n

Basierend auf den intensit\u00e4tsgewichteten DLS-Daten weisen ein starker Peak unter 100 nm und ein Polydispersit\u00e4tsindex unter 0,3 auf eine \u00fcberwiegend nanoskalige Suspension hin. Breitere Peaks und Peaks \u00fcber 200 nm deuten auf eine Aggregation oder Nicht-Nano-Suspensionen<\/a> hin. <\/p>\n

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Abbildung 1: Der Einfluss der Partikelgr\u00f6\u00dfe auf die Schwankungen der Streulichtintensit\u00e4t (a,b), die entsprechende Autokorrelationsfunktion-ACF (c,d) und die Partikelgr\u00f6\u00dfenverteilung (e,f).<\/figcaption><\/figure>\n

DLS: eine schnelle und zerst\u00f6rungsfreie Technik, die perfekt mit Dispersionsl\u00f6sungen funktioniert. Sie wird jedoch durch Aggregation beeintr\u00e4chtigt, ber\u00fccksichtigt nur kugelf\u00f6rmige Partikel und kann nicht mit trockenem Pulver umgehen. DLS hilft, Mikroskopietechniken wie SEM zu erg\u00e4nzen… <\/p>\n

4) BET-Oberfl\u00e4chenanalyse: Verkn\u00fcpfung von Oberfl\u00e4che und \u00e4quivalenter Partikelgr\u00f6\u00dfe<\/strong><\/h3>\n

Prinzip<\/strong><\/h4>\n

Die Brunauer-Emmett-Teller (BET)-Methode bestimmt die Menge des an der Oberfl\u00e4che eines Materials adsorbierten Stickstoffgases bei kryogenen Temperaturen. Sie k\u00f6nnen die spezifische Oberfl\u00e4che (m\u00b2\/g-\u00b9) in einen \u00e4quivalenten Partikeldurchmesser umrechnen, wenn Sie die Dichte kennen und wissen, dass die Partikel nicht por\u00f6s sind und eine kugelf\u00f6rmige Form<\/a> haben. <\/p>\n

dBET = 6\/pS<\/p>\n

Dabei ist dBET = mittlerer Partikeldurchmesser, p = Dichte (f\u00fcr ZnO \u2248 5,61 g cm-\u00b3) und S = BET-Oberfl\u00e4che.<\/p>\n

Interpretation:<\/strong><\/h4>\n

Die BET-Oberfl\u00e4chen von nano-ZnO (20-50 nm) liegen in der Regel bei 20-50 m\u00b2\/g-\u00b9 oder h\u00f6her, w\u00e4hrend die BET-Oberfl\u00e4chen von ZnO im Mikrometerbereich weniger als 5 m\u00b2\/g-\u00b9 betragen. Eine gro\u00dfe Oberfl\u00e4che unterst\u00fctzt also die Klassifizierung im Nanoma\u00dfstab, auch wenn eine direkte Abbildung schwierig ist. <\/p>\n

Die BET-Methode liefert einen zuverl\u00e4ssigen Massendurchschnitt \u00fcber eine gro\u00dfe Probenmasse und wird nicht durch die Agglomeration von Partikeln beeintr\u00e4chtigt, was sie f\u00fcr die Messung der Gesamtoberfl\u00e4che n\u00fctzlich macht. Sie funktioniert jedoch nur bei glatten, nicht por\u00f6sen Partikeln und kann nicht zwischen inneren Poren und \u00e4u\u00dferen Oberfl\u00e4chen unterscheiden, ist also kein direktes Ma\u00df f\u00fcr die Partikelgr\u00f6\u00dfe. Aus rechtlichen Gr\u00fcnden wird die BET-Analyse h\u00e4ufig in Verbindung mit der REM-Analyse verwendet, um sicherzustellen, dass die durch die Oberfl\u00e4che bestimmten Partikelgr\u00f6\u00dfen mit den beobachteten Formen \u00fcbereinstimmen. <\/p>\n

5) R\u00f6ntgenbeugung (XRD\/XRDC): Absch\u00e4tzung der Kristallitgr\u00f6\u00dfe<\/strong><\/h3>\n

Das Prinzip:<\/strong><\/h4>\n

Die Pulverr\u00f6ntgenbeugung bestimmt die Kristallstruktur von ZnO (in der Regel hexagonaler Wurtzit) und erm\u00f6glicht die Absch\u00e4tzung der Kristallitgr\u00f6\u00dfe anhand der Peakverbreiterung \u00fcber die Scherrer-Gleichung<\/a>.<\/p>\n

D = \u039a\u03bb\/\u03b2cos \u03b8<\/p>\n

Wobei D = mittlere Kristallitgr\u00f6\u00dfe, K \u2248 0,9 (Formfaktor), \u03bb = R\u00f6ntgenwellenl\u00e4nge, \u03b2 = volle Breite beim halben Maximum (Radiant) und \u03b8 = Bragg-Winkel.<\/p>\n

Interpretation:<\/strong><\/h4>\n

Breite Beugungsspitzen sind mit kleinen koh\u00e4renten Dom\u00e4nen verbunden. Eine (101) Reflexion mit \u03b2 \u2248 0,15\u00b0 bei 2\u03b8 = 36\u00b0 ergibt D = 35 nm. Das bedeutet, dass die einzelnen ZnO-Kristalle, auch wenn sie gruppiert sind, nanoskalig bleiben. <\/p>\n

Die R\u00f6ntgenbeugung (XRD) hat sowohl Vor- als auch Nachteile. Sie ist eine weit verbreitete, zerst\u00f6rungsfreie Methode, die wertvolle Informationen zur Kristallitgr\u00f6\u00dfe und Phasenreinheit liefert. Aber sie misst nur koh\u00e4rente kristalline Dom\u00e4nen, nicht die Aggregatgr\u00f6\u00dfe, und sie kann weder die Partikelform noch die Oberfl\u00e4chenmorphologie zeigen. Wenn fortschrittliche Methoden wie die Rietveld-Verfeinerung oder die hochaufl\u00f6sende Analyse verwendet werden, um genauere Korrelationen zwischen Gr\u00f6\u00dfe und Spannung zu erhalten, wird h\u00e4ufig der Begriff XRDC (R\u00f6ntgenbeugungskristallographie) verwendet<\/a>. <\/p>\n

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Abbildung 2: R\u00f6ntgenbeugungsmuster (XRD) von 7-lagigen Zinkoxid (ZnO) D\u00fcnnschichten, die mit einem Einfallswinkel von 1\u00b0 erhalten wurden: ( a ) undotiert, ( b ) 1 at.% Al-dotiert, ( c ) 2 at.% Al-dotiert.<\/figcaption><\/figure>\n

6) Kombinieren Sie mehrere Techniken: Ein Entscheidungsrahmen<\/strong><\/h3>\n

Um genau zu bestimmen, ob es sich bei ZnO um Nano- oder Nicht-Nano-Partikel handelt, ist ein Multi-Methoden-Ansatz erforderlich, da jedes Analyseinstrument einen anderen Aspekt der Partikelgr\u00f6\u00dfe untersucht. Der allgemeine Arbeitsablauf beginnt mit der REM-Analyse, um die Morphologie zu analysieren und die Gr\u00f6\u00dfe der Prim\u00e4rpartikel abzusch\u00e4tzen. Anschlie\u00dfend wird XRD\/XRDC verwendet, um die Kristallitgr\u00f6\u00dfe zu best\u00e4tigen und nanoskalige Dom\u00e4nen<\/a> zu erkennen. <\/p>\n

Anschlie\u00dfend wird eine BET-Analyse durchgef\u00fchrt, um die Beziehung zwischen der Oberfl\u00e4che und dem \u00e4quivalenten Partikeldurchmesser zu bestimmen. DLS wird dann verwendet, um die hydrodynamische Gr\u00f6\u00dfe in relevanten Medien, wie z.B. Sonnenschutzformulierungen, zu bestimmen. Wenn zwei unabh\u00e4ngige Methoden, in der Regel SEM und XRD, Partikelgr\u00f6\u00dfen unter 100 nm anzeigen, wird das Material als nano-ZnO bezeichnet. Wenn alle gemessenen Gr\u00f6\u00dfen \u00fcber 100 nm liegen und die BET-Oberfl\u00e4che gering ist, wird das Material als Nicht-Nano-ZnO<\/a> bezeichnet. <\/p>\n

Beispiel Klassifizierung:<\/strong><\/h4>\n\n\n\n\n\n\n\n
Technik<\/strong><\/td>\nParameter<\/strong><\/td>\nTypisches Nano-ZnO<\/strong><\/td>\nTypisches Nicht-Nano-ZnO<\/strong><\/td>\n<\/tr>\n
SEM<\/td>\nPrim\u00e4re Partikelgr\u00f6\u00dfe<\/td>\n20-80 nm<\/td>\n200 nm-5 \u00b5m<\/td>\n<\/tr>\n
DLS<\/td>\nHydrodynamische Gr\u00f6\u00dfe<\/td>\n50-150 nm<\/td>\n> 500 nm<\/td>\n<\/tr>\n
BET<\/td>\nOberfl\u00e4che<\/td>\n20-60 m\u00b2 g-\u00b9<\/td>\n1-5 m\u00b2 g-\u00b9<\/td>\n<\/tr>\n
XRD<\/td>\nKristallitgr\u00f6\u00dfe<\/td>\n20-60 nm<\/td>\n> 150 nm<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

Die Verwendung dieser Schwellenwerte erm\u00f6glicht es den Labors, quantitative Nachweise in \u00dcbereinstimmung mit ISO 9276 (Partikelgr\u00f6\u00dfenanalyse) zu melden.<\/p>\n

7) Aufkommende Techniken<\/strong><\/h3>\n

Inzwischen gibt es neue Analyseinstrumente, die die Klassifizierung der ZnO-Gr\u00f6\u00dfe \u00fcber die vier klassischen Methoden hinaus verbessern:<\/p>\n