{"id":10851,"date":"2025-11-03T16:18:45","date_gmt":"2025-11-03T16:18:45","guid":{"rendered":"https:\/\/www.vizorsun.com\/come-capire-se-lossido-di-zinco-e-nano-o-non-nano\/"},"modified":"2025-11-03T16:18:45","modified_gmt":"2025-11-03T16:18:45","slug":"come-capire-se-lossido-di-zinco-e-nano-o-non-nano","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.vizorsun.com\/it\/come-capire-se-lossido-di-zinco-e-nano-o-non-nano\/","title":{"rendered":"Come capire se l’ossido di zinco \u00e8 nano o non nano"},"content":{"rendered":"

Strategie analitiche per la verifica della dimensione delle particelle mediante SEM, DLS, BET e XRD<\/strong><\/h4>\n

L’ossido di zinco (ZnO) \u00e8 noto da decenni come composto versatile da utilizzare nelle creme solari e nei cosmetici, nonch\u00e9 nei catalizzatori industriali e nelle ceramiche. Pi\u00f9 recentemente, l’avvento della ricerca sulle nanotecnologie ha incrementato l’uso del “nano-ZnO” grazie alle energie superficiali drasticamente pi\u00f9 elevate associate a particelle di dimensioni inferiori a 100 nm<\/a>. <\/p>\n

Negli ultimi tempi, \u00e8 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 perch\u00e9 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 necessit\u00e0 di un’analisi<\/a> di alta qualit\u00e0. <\/p>\n

Questo articolo spiega come determinare se un campione di ossido di zinco \u00e8 nano o non nano utilizzando le principali tecniche analitiche: microscopia elettronica a scansione (SEM), dispersione dinamica della luce (DLS), analisi della superficie di Brunauer-Emmett-Teller (BET) e stima delle dimensioni dei cristalliti mediante diffrazione a raggi X (XRD\/XRDC). Ciascun metodo fornisce informazioni complementari sulle dimensioni, la morfologia e l’aggregazione e, insieme, danno vita a una classificazione difendibile e coerente con gli standard internazionali come ISO\/TR 13014 e le linee guida<\/a> dell’OCSE. <\/p>\n

1) Capire il significato di “nano<\/strong><\/h3>\n

La Commissione Europea afferma che un nanomateriale \u00e8 un materiale naturale, prodotto accidentalmente o artificiale che consiste in particelle non legate o aggregate\/manipolate come aggregati e in cui il 50% o pi\u00f9 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<\/a>. <\/p>\n

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Tuttavia, lo ZnO pu\u00f2 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 pi\u00f9 grandi di 100 nm nonostante abbiano dimensioni dei cristalliti su scala nanometrica. Per questo motivo, \u00e8 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 complessit\u00e0 della determinazione<\/a> delle dimensioni. <\/p>\n

2) Microscopia elettronica a scansione (SEM): Visualizzazione della morfologia delle particelle<\/strong><\/h3>\n

Principio e applicazione:<\/strong><\/h4>\n

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<\/a>. <\/p>\n

Preparazione del campione:<\/strong><\/h4>\n

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. <\/p>\n

Interpretazione<\/strong><\/h4>\n

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 pu\u00f2 determinare l’aggregazione delle particelle, la rugosit\u00e0 superficiale e la porosit\u00e0. <\/p>\n

Il SEM fornisce una visualizzazione diretta delle dimensioni, della forma e dei dettagli della superficie delle particelle, ma non dispone di solide capacit\u00e0 di campionamento statistico e pu\u00f2 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<\/a> delle dimensioni dei nanomateriali. <\/p>\n

3) Diffusione dinamica della luce (DLS): Misurazione del diametro idrodinamico<\/strong><\/h3>\n

Ipotesi e implementazione:<\/strong><\/h4>\n

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 pu\u00f2 essere derivato dall’equazione di Stokes-Einstein. <\/p>\n

Poich\u00e9 le particelle di ZnO tendono a formare aggregati nelle soluzioni liquide, la DLS fornisce le dimensioni delle particelle piuttosto che quelle dei<\/a> singoli cristalliti.<\/p>\n

Preparazione del campione:<\/strong><\/h4>\n

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. <\/p>\n

Interpretazione<\/strong><\/h4>\n

In base ai dati DLS ponderati per l’intensit\u00e0, un forte picco al di sotto dei 100 nm e un indice di polidispersit\u00e0 inferiore a 0,3 indicano una sospensione prevalentemente su scala nanometrica. I picchi pi\u00f9 ampi e superiori a 200 nm indicano aggregazione o sospensioni<\/a> non nanometriche. <\/p>\n

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Figura 1: L’effetto delle dimensioni delle particelle sulle fluttuazioni dell’intensit\u00e0 della luce diffusa (a,b), la corrispondente funzione di autocorrelazione-ACF (c,d) e la distribuzione delle dimensioni delle particelle (e,f).<\/figcaption><\/figure>\n

DLS: una tecnica rapida e non distruttiva che funziona perfettamente sulle soluzioni in dispersione. Tuttavia, \u00e8 influenzata dall’aggregazione, considera solo le particelle sferiche e non pu\u00f2 gestire la polvere secca. La DLS aiuta a integrare le tecniche di microscopia come il SEM…. <\/p>\n

4) Analisi BET dell’area superficiale: Collegamento dell’area superficiale alla dimensione equivalente delle particelle<\/strong><\/h3>\n

Principio<\/strong><\/h4>\n

Il metodo Brunauer-Emmett-Teller (BET) determina la quantit\u00e0 di azoto gassoso adsorbito sulla superficie di un materiale a temperature criogeniche. \u00c8 possibile trasformare l’area superficiale specifica (m\u00b2\/g-\u00b9) in un diametro equivalente delle particelle se si conosce la densit\u00e0 e se le particelle non sono porose e hanno una forma<\/a> sferica. <\/p>\n

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

Dove dBET = diametro medio delle particelle, p = densit\u00e0 (per lo ZnO \u2248 5,61 g cm-\u00b3) e S = area superficiale BET.<\/p>\n

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

Le aree superficiali BET del nano-ZnO (20-50 nm) sono solitamente 20-50 m\u00b2\/g-\u00b9 o superiori, mentre le aree superficiali BET dello ZnO di dimensioni micron sono inferiori a 5 m\u00b2\/g-\u00b9. Quindi, un’ampia superficie supporta la classificazione su scala nanometrica anche quando l’imaging diretto \u00e8 difficile. <\/p>\n

Il metodo BET fornisce una media affidabile su un’ampia massa di campioni e non \u00e8 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 pu\u00f2 distinguere tra pori interni e superfici esterne, quindi non \u00e8 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. <\/p>\n

5) Diffrazione dei raggi X (XRD\/XRDC): Stima delle dimensioni dei cristalliti<\/strong><\/h3>\n

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

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<\/a> di Scherrer.<\/p>\n

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

Dove D = dimensione media dei cristalliti, K \u2248 0,9 (fattore di forma), \u03bb = lunghezza d’onda dei raggi X, \u03b2 = larghezza a met\u00e0 del massimo (radianti) e \u03b8 = angolo di Bragg.<\/p>\n

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

Gli ampi picchi di diffrazione sono collegati a piccoli domini coerenti. Una riflessione (101) con \u03b2 \u2248 0,15\u00b0 a 2\u03b8 = 36\u00b0 produce D = 35 nm. Ci\u00f2 significa che, anche quando sono raggruppati, i singoli cristalli di ZnO rimangono su scala nanometrica. <\/p>\n

La diffrazione dei raggi X (XRD) ha sia pro che contro. \u00c8 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 pu\u00f2 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 pi\u00f9 precise tra dimensioni e deformazioni, si usa<\/a> spesso il termine XRDC (X-ray diffraction crystallography). <\/p>\n

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Figura 2: Modelli di diffrazione a raggi X (XRD) di film sottili di ossido di zinco (ZnO) a 7 strati ottenuti con un angolo di incidenza di 1\u00b0: ( a ) non drogato, ( b ) drogato con 1 at.% di Al, ( c ) drogato con 2 at.% di Al.<\/figcaption><\/figure>\n

6) Combinare pi\u00f9 tecniche: Un quadro decisionale<\/strong><\/h3>\n

Per determinare con precisione se lo ZnO \u00e8 nano o non nano \u00e8 necessario un approccio multimetodo, poich\u00e9 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<\/a> su scala nanometrica. <\/p>\n

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 \u00e8 bassa, il materiale viene definito non-nano ZnO<\/a>. <\/p>\n

Esempio di classificazione:<\/strong><\/h4>\n\n\n\n\n\n\n\n
Tecnica<\/strong><\/td>\nParametro<\/strong><\/td>\nTipico Nano-ZnO<\/strong><\/td>\nTipico Non-Nano ZnO<\/strong><\/td>\n<\/tr>\n
SEM<\/td>\nDimensione primaria delle particelle<\/td>\n20-80 nm<\/td>\n200 nm-5 \u00b5m<\/td>\n<\/tr>\n
DLS<\/td>\nDimensione idrodinamica<\/td>\n50-150 nm<\/td>\n> 500 nm<\/td>\n<\/tr>\n
BET<\/td>\nSuperficie<\/td>\n20-60 m\u00b2 g-\u00b9<\/td>\n1-5 m\u00b2 g-\u00b9<\/td>\n<\/tr>\n
XRD<\/td>\nDimensione dei cristalliti<\/td>\n20-60 nm<\/td>\n> 150 nm<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

L’utilizzo di queste soglie consente ai laboratori di riportare prove quantitative in conformit\u00e0 alla norma ISO 9276 (analisi granulometrica).<\/p>\n

7) Tecniche emergenti<\/strong><\/h3>\n

Oggi esistono nuovi strumenti analitici che stanno migliorando la classificazione delle dimensioni dello ZnO al di l\u00e0 dei quattro metodi classici:<\/p>\n