Estrategias analíticas para la verificación del tamaño de las partículas mediante SEM, DLS, BET y DRX
El óxido de zinc (ZnO) se conoce desde hace décadas como un compuesto muy versátil que se utiliza en protectores solares y cosméticos, así como en catalizadores industriales y cerámicas. Más recientemente, el auge de la investigación en nanotecnología ha impulsado el uso del «nano-ZnO», debido a las energías superficiales mucho más elevadas asociadas a los tamaños de partícula inferiores a 100 nm.
Últimamente, se ha hecho necesario que organizaciones como la iniciativa REACH de la UE y la FDA de EE.UU. establezcan definiciones claras de las formas «nano» y «no nano» de dichos compuestos, sobre todo porque los nanomateriales pueden actuar de forma muy diferente en entornos biológicos y medioambientales. Establecer el estado «nano» de una determinada muestra de ZnO subraya, pues, la necesidad de realizar análisis de alta calidad.
En este artículo se explica cómo determinar si una muestra de óxido de zinc es nano o no nano utilizando las principales técnicas analíticas: microscopía electrónica de barrido (SEM), dispersión dinámica de luz (DLS), el análisis de área superficial según el método de Brunauer–Emmett–Teller (BET) y la estimación del tamaño de los cristales mediante difracción de rayos X (XRD/XRDC). Cada método aporta información complementaria sobre el tamaño, la morfología y la agregación, y juntos permiten obtener una clasificación fundamentada y coherente con normas internacionales como la ISO/TR 13014 y las directrices de la OCDE.
1) Comprender el significado de «nano».
La Comisión Europea establece que un nanomaterial es un material natural, producido incidentalmente o artificial que consiste en partículas no aglutinadas o agregadas/manipuladas como agregados, y en el que el 50 % o más de estas partículas tienen al menos una dimensión medida externamente en el intervalo de tamaño de 1 a 100 nm. Los polvos de ZnO no nanométricos o de tamaño microscópico tienen diámetros de partícula de varios cientos de nanómetros a unos pocos micrómetros.
Sin embargo, el ZnO puede formar agregados formados por grupos de cristalitos primarios poco unidos entre sí por fuerzas de van der Waals. Estos agregados pueden tener tamaños muy superiores a 100 nm a pesar de tener tamaños de cristalitos en la nanoescala. De ahí que sea esencial distinguir el tamaño en función de los cristalitos primarios y los agregados. Las técnicas de análisis actuales no pueden servir para este propósito debido a la complejidad de la determinación del tamaño.
2) Microscopía electrónica de barrido (SEM): Visualización de la morfología de las partículas
Principio y aplicación:
En el MEB, se utiliza un haz de electrones focalizado para crear imágenes de la superficie con una resolución nanométrica. Los electrones secundarios o retrodispersados recogidos producen imágenes que reflejan las formas propias de las partículas de ZnO, ya sean esféricas, en forma de barra, hexagonales o en forma de placa…
Preparación de la muestra:
El polvo de ZnO suele suspenderse en soportes de cinta de carbono conductores, con un fino recubrimiento de película de oro o platino para evitar que se cargue. La cuidadosa suspensión del polvo evita la superposición de partículas y permite determinar el tamaño de las partículas a partir de partículas primarias.
Interpretación
Se pueden utilizar micrografías de alta resolución para determinar el tamaño de las partículas individuales utilizando programas de análisis de imágenes como ImageJ. El tamaño de las partículas debe ser inferior a 100 nm. Si es así, se trata de nano-ZnO. Además, el análisis SEM puede determinar la agregación de partículas, la rugosidad de la superficie y la porosidad.
El SEM proporciona una visualización directa del tamaño, la forma y los detalles de la superficie de las partículas, pero carece de una sólida capacidad de muestreo estadístico y puede verse afectado por artefactos derivados de la preparación o agregación de las muestras. Normalmente, el nano-ZnO presenta agregados de cristalitos hexagonales de 20-80 nm de tamaño, a diferencia de los granos lisos de tamaño micrométrico de los polvos no nano. Por ello, las micrografías SEM suelen incluirse en la documentación oficial para la determinación del tamaño de los nanomateriales.
3) Dispersión Dinámica de la Luz (DLS): Medición del diámetro hidrodinámico
Suposición y aplicación:
La DLS mide el tamaño de las partículas analizando las fluctuaciones de la luz láser dispersa causadas por el movimiento browniano. El coeficiente de difusión DDD de una partícula puede deducirse de la ecuación de Stokes-Einstein.
Dado que las partículas de ZnO tienden a formar agregados en soluciones líquidas, la DLS proporciona tamaños de partículas en lugar de tamaños de cristalitos individuales.
Preparación de la muestra:
Utiliza ultrasonidos para dispersar el ZnO en un disolvente de baja fuerza iónica, como etanol o agua, a pH 7-8. No deben utilizarse tensioactivos como dispersantes. Podrían introducir sesgos en los datos.
Interpretación
Según los datos DLS de intensidad ponderada, un pico fuerte por debajo de 100 nm y un índice de polidispersidad inferior a 0,3 indican una suspensión predominantemente nanoescalar. Los picos más anchos y superiores a 200 nm indican agregación o suspensiones no nanométricas.
DLS: una técnica rápida y no destructiva que funciona perfectamente en soluciones de dispersión. Sin embargo, se ve afectada por la agregación, sólo tiene en cuenta las partículas esféricas y no puede tratar el polvo seco. La DLS ayuda a complementar técnicas de microscopía como el SEM..
4) Análisis del área superficial BET: Vinculación del área superficial con el tamaño equivalente de las partículas
Principio
El método Brunauer-Emmett-Teller (BET) determina la cantidad de gas nitrógeno adsorbido en la superficie de un material a temperaturas criogénicas. Puedes convertir la superficie específica (m²/g-¹) en un diámetro de partícula equivalente si conoces la densidad y que las partículas no son porosas y tienen forma esférica.
dBET = 6/pS
Donde dBET = diámetro medio de las partículas, p = densidad (para el ZnO ≈ 5,61 g cm-³), y S = superficie BET.
Interpretación:
Las áreas superficiales BET del nano-ZnO (20-50 nm) suelen ser de 20-50 m²/g-¹ o superiores, mientras que las áreas superficiales BET del ZnO de tamaño micrométrico son inferiores a 5 m²/g-¹. Por tanto, una gran superficie favorece la clasificación a nanoescala, incluso cuando es difícil obtener imágenes directas.
El método BET proporciona un promedio fiable sobre una gran masa de muestra y no se ve afectado por la aglomeración de partículas, por lo que resulta útil para medir la superficie total. Pero sólo funciona con partículas lisas, no porosas, y no puede distinguir entre poros internos y superficies externas, por lo que no es una medida directa del tamaño de las partículas. Por razones normativas, el análisis BET suele utilizarse junto con el SEM para garantizar que los tamaños de las partículas determinados por el área superficial coinciden con las formas observadas.
5) Difracción de Rayos X (DRX/XRDC): Estimación del tamaño de los cristalitos
Principio:
La difracción de rayos X en polvo determina la estructura cristalina del ZnO (normalmente wurtzita hexagonal) y permite estimar el tamaño de los cristalitos a partir del ensanchamiento de los picos mediante la ecuación de Scherrer.
D = Κλ/βcos θ
Donde D = tamaño medio de los cristalitos, K ≈ 0,9 (factor de forma), λ = longitud de onda de los rayos X, β = anchura total a medio máximo (radianes), y θ = ángulo de Bragg.
Interpretación:
Los picos de difracción amplios están relacionados con pequeños dominios coherentes. Una reflexión (101) con β ≈ 0,15° a 2θ = 36° produce D = 35 nm. Esto significa que, aunque estén agrupados, los cristales individuales de ZnO siguen siendo de escala nanométrica.
La difracción de rayos X (DRX) tiene pros y contras. Es un método no destructivo muy utilizado que proporciona información valiosa sobre el tamaño de los cristalitos y la pureza de las fases. Pero sólo mide los dominios cristalinos coherentes, no el tamaño de los agregados, y no puede mostrar la forma de las partículas ni la morfología de la superficie. Cuando se utilizan métodos avanzados, como el refinamiento de Rietveld o el análisis de alta resolución, para obtener correlaciones más precisas entre tamaño y deformación, se suele emplear el término XRDC (cristalografía por difracción de rayos X).
6) Combinar múltiples técnicas: Un marco de decisión
Es necesario un enfoque multimétodo para determinar con precisión si el ZnO es nano o no nano, ya que cada herramienta analítica examina un aspecto diferente del tamaño de las partículas. El flujo de trabajo general comienza con el SEM para analizar la morfología y estimar el tamaño de las partículas primarias. A continuación, se utiliza la DRX/XRDC para confirmar el tamaño de los cristalitos y detectar dominios a nanoescala.
A continuación, se utiliza un análisis BET para determinar la relación entre el área superficial y el diámetro equivalente de la partícula. A continuación, se utiliza DLS para determinar el tamaño hidrodinámico en los medios pertinentes, como las fórmulas de protección solar. Si dos métodos independientes, normalmente SEM y DRX, indican tamaños de partícula inferiores a 100 nm, el material se denomina nano-ZnO. Si todos los tamaños medidos son superiores a 100 nm y el área superficial BET es baja, el material se denomina no-nano-ZnO.
Ejemplo de clasificación:
| Técnica | Parámetro | Nano-ZnO típico | Nano-ZnO típico |
| SEM | Tamaño primario de las partículas | 20-80 nm | 200 nm-5 µm |
| DLS | Tamaño hidrodinámico | 50-150 nm | > 500 nm |
| BET | Superficie | 20-60 m² g-¹ | 1-5 m² g-¹ |
| DRX | Tamaño del cristalito | 20-60 nm | > 150 nm |
La utilización de estos umbrales permite a los laboratorios notificar pruebas cuantitativas de conformidad con la norma ISO 9276 (análisis granulométrico).
7) Técnicas emergentes
Actualmente existen nuevas herramientas analíticas que están mejorando la clasificación del tamaño del ZnO más allá de los cuatro métodos clásicos:
- Microscopía electrónica de transmisión (MET): Proporciona una resolución muy alta para las franjas de red y los límites exactos de los cristalitos.
- Dispersión de rayos X en ángulo pequeño (SAXS): Proporciona in situ la distribución del tamaño de las partículas del conjunto, que funciona bien con DLS.
- AFM (Microscopía de Fuerza Atómica): Bueno para medir el grosor de los revestimientos y la rugosidad de las superficies de las películas.
- Espectroscopia Raman y de fotoluminiscencia: Estas técnicas estudian indirectamente los efectos de confinamiento cuántico, que sólo se producen a escala nanométrica.
Estos métodos avanzados se suman a la base de pruebas cuando el material se acerca al límite de los 100 nm.
Conclusión
Para saber si el óxido de cinc es nano o no, no basta con mirarlo o leer la descripción comercial. Tienes que utilizar una combinación de mediciones analíticas validadas. El SEM muestra la forma y el tamaño correctos de las partículas primarias; el DLS muestra cómo están dispersas las partículas; el BET mide la superficie en relación con el tamaño de las partículas; y la XRD/XRDC muestra el tamaño de los cristalitos. Vistos en conjunto, estos métodos proporcionan una imagen clara que se ajusta a las definiciones internacionales de nanomateriales.
Para los formuladores, investigadores y reguladores, este nivel de detalle es necesario para garantizar que los productos sean seguros, tengan un rendimiento uniforme y cumplan las normas en evolución sobre nanomateriales. Si tu ZnO tiene cristalitos de menos de 100 nm según el SEM y la DRX, una elevada área superficial BET y picos DLS de menos de 200 nm, entonces tienes verdadero óxido de nanozinc. Si no, sigue siendo no-nano, lo que significa que se comporta, se ve y se clasifica como a granel.
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Preguntas frecuentes
¿Cuál es la diferencia entre el óxido de zinc nano y el no nano?
El óxido de zinc «nano» se refiere a partículas en las que al menos el 50 % tiene una dimensión externa de entre 1 y 100 nm. El óxido de zinc «no nano» suele estar formado por partículas cuyo tamaño oscila entre unos cientos de nanómetros y un micrómetro. Esta distinción es importante porque los materiales a escala nanométrica tienen una mayor energía superficial y pueden comportarse de forma diferente en las formulaciones y en entornos biológicos.
¿Por qué es importante saber si el óxido de zinc es nano o no nano?
La clasificación de los nanomateriales es importante para cumplir con la normativa y garantizar la seguridad de los productos. Autoridades como la UE, en el marco del reglamento REACH, y la FDA de EE. UU. exigen una identificación clara de los nanomateriales, ya que su comportamiento en los sistemas biológicos y medioambientales puede diferir del de las partículas más grandes.
¿Por qué no basta con una sola técnica para determinar el tamaño de las partículas de ZnO?
El óxido de zinc suele formar agregados compuestos por cristalitos más pequeños. Estos agregados pueden parecer de más de 100 nm, aunque las partículas primarias sigan siendo de escala nanométrica. Como cada método analítico mide un aspecto diferente de la estructura de las partículas, se necesitan varias técnicas para hacer una clasificación fiable.
¿Cómo ayuda el SEM a determinar el tamaño de las partículas de óxido de zinc?
La microscopía electrónica de barrido ofrece imágenes de alta resolución de las partículas de ZnO. Estas imágenes permiten a los investigadores observar la forma, la morfología y el tamaño aproximado de las partículas primarias, lo que ayuda a distinguir las partículas a escala nanométrica de los granos más grandes.
¿Qué mide el DLS en el análisis del óxido de zinc?
La dispersión dinámica de luz mide el diámetro hidrodinámico de las partículas suspendidas en un líquido mediante el análisis de las fluctuaciones de la luz láser dispersada. Este método refleja el tamaño de las partículas o los agregados presentes en la dispersión, en lugar del de los cristalitos individuales.
¿Cómo indica el área superficial BET que se trata de óxido de zinc a nanoescala?
El método BET mide el área superficial específica mediante la adsorción de gas. Las partículas a escala nanométrica presentan una mayor superficie, por lo que el nano-ZnO suele mostrar valores BET significativamente más altos que los polvos de tamaño micrométrico.
¿Qué información nos da la difracción de rayos X (XRD) sobre las partículas de óxido de zinc?
La difracción de rayos X identifica la estructura cristalina del ZnO y calcula el tamaño de los cristalitos a partir del ensanchamiento de los picos. Esto ayuda a determinar si los dominios cristalinos individuales se mantienen dentro del rango nanométrico.
¿Por qué se usan varias técnicas a la vez?
Cada técnica mide una propiedad diferente del material. El SEM permite visualizar la morfología de las partículas, el DLS mide el tamaño de dispersión, el BET evalúa el área superficial y el XRD estima el tamaño de los cristalitos. Juntas, aportan pruebas más sólidas para la clasificación nanométrica.
