Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS
Nanomaterialien sind aus modernen Produkten nicht mehr wegzudenken – doch ihre genaue Partikelgrößenverteilung lässt sich bisher nur mit hohem Aufwand bestimmen. Im neuen Projekt »UltraSep« entwickeln das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS und die GAMPT mbH ein ultraschallgestütztes Separationstool, das Elektronenmikroskope als effizientes Analysewerkzeug für Nanopulver nutzbar macht. Das erlaubt die schnelle, präzise Charakterisierung von Nanopartikeln – von der Materialentwicklung im Labor bis zum Nachweis für regulatorische Anforderungen.
Nanopartikel bestimmen die Eigenschaften vieler Produkte in Elektronik, Medizin, Kosmetik oder Energietechnik – und stehen zugleich im Fokus regulatorischer Anforderungen. Für eine belastbare Einstufung als Nano- oder Nicht-Nanomaterial wird eine anzahlbasierte Partikelgrößenverteilung über einen weiten Größenbereich benötigt.
Heute dominieren Screening-Verfahren wie dynamische Lichtstreuung. Diese Techniken sind zwar schnell, jedoch sehr empfindlich gegenüber Agglomeraten und hinzukommt, dass die Partikelgröße lediglich indirekt über Modellannahmen bestimmt wird. Elektronenmikroskopie gilt als Goldstandard, scheitert jedoch oft an überlappenden Partikeln und hohem manuellen Auswerteaufwand. »Mit dem Projekt »UltraSep« schließen wir die Lücke zwischen schnellen Screening-Verfahren und der sehr genauen, aber bisher langsamen Elektronenmikroskopie«, sagt Projektleiterin Dr. Katrin Thieme vom Fraunhofer IMWS.
Ultraschall schafft überlagerungsfreie Partikelverteilungen
»UltraSep« setzt genau hier an: Ein neu zu entwickelnder Ultraschallseparator trennt Agglomerate in trockenen Pulvern und Dispersionen auf und verteilt die Partikel so, dass überlagerungsfreie 2D-Partikelverteilungen entstehen. Frequenz, Intensität und Anregungsmuster des Ultraschalls werden gezielt variiert, um Nanopartikel von wenigen Nanometern bis in den zweistelligen Mikrometerbereich zu separieren.
GAMPT entwickelt dazu einen Ultraschallgenerator, passende Aktoren und Probenhalter, die sich direkt in die Präparations- und Analyseworkflows integrieren lassen. Am Fraunhofer IMWS wird der Prozess mit Rasterelektronenmikroskopie validiert und eine KI-gestützte Bildauswertung aufgebaut: Partikel werden automatisch segmentiert und hinsichtlich verschiedener Parameter, wie z.B. der Partikelgröße, der längsten und kürzesten Abmessung eines Partikels oder dem Aspektverhältnis charakterisiert, und als anzahlbasierte Verteilung ausgegeben. So entsteht ein durchgängiger Workflow von der Probenvorbereitung bis zur auswertbaren Statistik.
Vom Prototyp zur Lösung für Pulverhersteller und -verarbeiter
Das Projekt zielt auf einen marktfähigen Prototyp, der als Ergänzung zu bestehenden Elektronenmikroskopen eingesetzt werden kann – zunächst bei Pulverherstellern und -verarbeitern, etwa in der Pigment-, Batterie-, Keramik- oder Kosmetikindustrie. Anwendungen reichen von der Qualitätskontrolle über die Entwicklung neuer Materialien bis zur Absicherung regulatorischer Anforderungen.
»Unser Ziel ist ein robustes Tool, das sich ohne großen Schulungsaufwand in bestehende Analyselabore integrieren lässt – von der Probenpräparation bis zur auswertbaren Größenverteilung«, so Katrin Thieme. Validierungen mit Referenznanomaterialien und Tests bei Industriepartnern sollen sicherstellen, dass sich »UltraSep« nahtlos in Produktions- und Laborumgebungen einfügt und dort für mehr Transparenz, Sicherheit und Effizienz in der Nanopartikelanalytik sorgt.
(3. Februar 2026)