توليف فعال ومتحكم فيه لجسيمات الذهب النانوية

يمكن تصنيع جسيمات الذهب النانوية ذات الشكل الموحد والتشكل بكفاءة عبر طريق سونوكيميائي. يمكن التحكم بدقة في التفاعل الكيميائي المعزز بالموجات فوق الصوتية لتخليق الجسيمات النانوية الذهبية لحجم الجسيمات وشكلها (على سبيل المثال ، الكرات النانوية والقضبان النانوية والأحزمة النانوية وما إلى ذلك) والمورفولوجيا. يسمح الإجراء الكيميائي الفعال والبسيط والسريع والأخضر بإنتاج موثوق للهياكل النانوية الذهبية على نطاق صناعي.

جسيمات الذهب النانوية والهياكل النانوية

يتم تنفيذ جسيمات الذهب النانوية والهياكل ذات الحجم النانوي على نطاق واسع في R&D والعمليات الصناعية بسبب الخصائص الفريدة للذهب بحجم النانو بما في ذلك الخصائص الإلكترونية والمغناطيسية والبصرية ، وتأثيرات الحجم الكمي ، ورنين البلازمون السطحي ، والنشاط الحفاز العالي ، والتجميع الذاتي من بين خصائص أخرى. تتراوح مجالات تطبيق جزيئات الذهب النانوية (Au-NPs) من الاستخدام كمحفز إلى تصنيع الأجهزة الإلكترونية النانوية ، وكذلك الاستخدام في التصوير ، والضوئيات النانوية ، والمغناطيسية النانوية ، وأجهزة الاستشعار الحيوية ، وأجهزة الاستشعار الكيميائية ، للتطبيقات البصرية والعلاجية ، وتوصيل الأدوية بالإضافة إلى الاستخدامات الأخرى.

طرق تخليق الجسيمات النانوية الذهبية

يمكن تصنيع جزيئات الذهب ذات البنية النانوية عبر طرق مختلفة باستخدام الموجات فوق الصوتية عالية الأداء. Ultrasonication ليست فقط تقنية بسيطة وفعالة وموثوق بها، وعلاوة على ذلك صوتنة يخلق الظروف للحد الكيميائي من أيونات الذهب دون العوامل الكيميائية السامة أو القاسية وتمكن من تشكيل الجسيمات النانوية المعدنية النبيلة من الأشكال المختلفة. يسمح اختيار المسار والمعالجة الكيميائية (المعروف أيضا باسم sonosynthesis) بإنتاج هياكل نانوية ذهبية مثل نانوشير الذهب ، والقضبان النانوية ، والأحزمة النانوية وما إلى ذلك مع حجم موحد ومورفولوجيا.
أدناه يمكنك العثور على مسارات سونوكيميائية مختارة لإعداد الجسيمات النانوية الذهبية.

طريقة توركيفيتش المحسنة بالموجات فوق الصوتية

يستخدم Sonication لتكثيف تفاعل تخفيض سترات Turkevich وكذلك إجراءات Turkevich المعدلة.
تنتج طريقة Turkevich جسيمات نانوية كروية متواضعة أحادية التشتت يبلغ قطرها حوالي 10-20 نانومتر. يمكن إنتاج جزيئات أكبر ، ولكن على حساب التشتت الأحادي والشكل. في هذه الطريقة ، يتم معالجة حمض الكلوروريك الساخن بمحلول سترات الصوديوم ، مما ينتج عنه الذهب الغروي. يستمر تفاعل توركيفيتش عن طريق تكوين أسلاك الذهب النانوية العابرة. هذه الأسلاك النانوية الذهبية مسؤولة عن المظهر الداكن لمحلول التفاعل قبل أن يتحول إلى اللون الأحمر الياقوت.
أفاد Fuentes-García et al. (2020) ، الذي قام بتصنيع جسيمات الذهب النانوية بالموجات فوق الصوتية ، أنه من الممكن تصنيع جسيمات الذهب النانوية ذات التفاعل عالي الامتصاص باستخدام الموجات فوق الصوتية كمصدر وحيد للطاقة ، مما يقلل من متطلبات المختبر ويتحكم في الخصائص التي تعدل المعلمات البسيطة.
أظهر Lee et al. (2012) أن الطاقة فوق الصوتية هي معلمة رئيسية لإنتاج جسيمات الذهب النانوية الكروية (AuNPs) ذات الأحجام القابلة للضبط من 20 إلى 50 نانومتر. ينتج عن التخليق الصوتي عن طريق تقليل سترات الصوديوم جسيمات نانوية كروية أحادية التشتت من الذهب في محلول مائي في ظل الظروف الجوية.

طريقة توركيفيتش فرينز باستخدام الموجات فوق الصوتية

تعديل مسار التفاعل الموصوف أعلاه هو طريقة Turkevich-Frens ، وهي عملية بسيطة متعددة الخطوات لتوليف جزيئات الذهب النانوية. الموجات فوق الصوتية يعزز مسار رد فعل Turkevich-Frens بنفس طريقة طريق Turkevich. الخطوة الأولى لعملية Turkevich-Frens متعددة الخطوات ، حيث تحدث التفاعلات في سلسلة وبالتوازي ، هي أكسدة السيترات التي تنتج أسيتون ثنائي الكربوكسي. بعد ذلك ، يتم تقليل ملح الأذن إلى ملح أوروس و Au⁰، ويتم تجميع الملح Aurous على Au⁰ الذرات لتشكيل AuNP (انظر المخطط أدناه).
 

تخليق الجسيمات النانوية الذهبية عبر طريقة توركيفيتش.
مخطط ودراسة: ©تشاو وآخرون ، 2013

هذا يعني أن أسيتون ثنائي الكربوكسي الناتج عن أكسدة السيترات بدلا من السيترات نفسه يعمل كمثبت AuNP الفعلي في تفاعل Turkevich-Frens. بالإضافة إلى ذلك ، يعدل ملح السيترات الرقم الهيدروجيني للنظام ، مما يؤثر على توزيع حجم وحجم جسيمات الذهب النانوية (AuNPs). تنتج هذه الظروف لتفاعل Turkevich-Frens جسيمات نانوية ذهبية أحادية التشتت تقريبا بأحجام جسيمات تتراوح بين 20 إلى 40 نانومتر. يمكن تعديل حجم الجسيمات الدقيق عند اختلاف الرقم الهيدروجيني للمحلول وكذلك بواسطة المعلمات فوق الصوتية. دائما ما تكون AuNPs المستقرة بالسيترات أكبر من 10 نانومتر ، نظرا لقدرة التقليل المحدودة لثنائي هيدرات سترات الصوديوم الثلاثي. ومع ذلك ، باستخدام D₂O كمذيب بدلا من H2O أثناء تخليق AuNPs يسمح بتوليف AuNPs بحجم جسيم 5 نانومتر. نظرا لأن إضافة D2O تزيد من قوة تقليل السيترات ، فإن الجمع بين D2O و C₆H₉نا₃O₉. (راجع تشاو وآخرون ، 2013)

بروتوكول لطريق سونوكيميكال توركيفيتش - فرينز

من أجل توليف جسيمات الذهب النانوية في إجراء تصاعدي عبر طريقة Turkevich-Frens ، 50 مل من حمض الكلوروريك (HAuCl₄) ، يسكب 0.025 mM في دورق زجاجي سعة 100 مل ، حيث 1 مل من محلول مائي 1.5٪ (وزن / حجم) من سترات الصوديوم (Na₃CT) يضاف تحت الموجات فوق الصوتية في درجة حرارة الغرفة. تم إجراء الموجات فوق الصوتية في 60W ، 150W ، و 210W. ذا نا₃CT / HAuCl₄ النسبة المستخدمة في العينات هي 3: 1 (وزن / حجم). بعد الموجات فوق الصوتية ، أظهرت المحاليل الغروية ألوانا مختلفة ، البنفسجي ل 60 واط والأحمر الياقوتي لعينات 150 و 210 واط. تم إنتاج أحجام أصغر ومجموعات كروية أكثر من جسيمات الذهب النانوية عن طريق زيادة قوة الصوتنة ، وفقا للتوصيف الهيكلي. Fuentes-García et al. (2021) يظهرون في تحقيقاتهم التأثير القوي لزيادة الصوتنة على حجم الجسيمات والبنية متعددة السطوح والخصائص البصرية لجسيمات الذهب النانوية المركبة بالموجات فوق الصوتية وحركية التفاعل لتكوينها. يمكن إنتاج كل من جسيمات الذهب النانوية بحجم 16 نانومتر و 12 نانومتر من خلال إجراء سونوكيميائي مخصص. (فوينتيس غارسيا وآخرون ، 2021)
 

(أ ، ب) صورة TEM (مقياس 50 نانومتر) و (ج) توزيع حجم AuNPs المركبة عند أ
قوة صوتنة 17.9 Wcm2.
الصورة والدراسة: © ذياب وآخرون ، 2020.

انحلال سونوليز لجسيمات الذهب النانوية

طريقة أخرى للتوليد التجريبي لجزيئات الذهب هي عن طريق انحلال الموجات فوق الصوتية ، حيث يتم تطبيق الموجات فوق الصوتية لتوليف جزيئات الذهب التي يقل قطرها عن 10 نانومتر. اعتمادا على الكواشف ، يمكن تشغيل تفاعل الانحلال بطرق مختلفة. على سبيل المثال ، صوتنة محلول مائي من HAuCl₄ مع الجلوكوز ، تعمل جذور الهيدروكسيل وجذور الانحلال الحراري للسكر كعوامل اختزال. تتشكل هذه الجذور في المنطقة البينية بين التجاويف المنهارة الناتجة عن الموجات فوق الصوتية المكثفة والمياه السائبة. مورفولوجيا الهياكل النانوية الذهبية هي شرائط نانوية بعرض 30-50 نانومتر وطول عدة ميكرومترات. هذه الشرائط مرنة للغاية ويمكن أن تنحني بزوايا أكبر من 90 درجة. عندما يتم استبدال الجلوكوز بالسيكلوديكسترين ، وهو قليل الجلوكوز ، يتم الحصول على جزيئات الذهب الكروية فقط ، مما يشير إلى أن الجلوكوز ضروري في توجيه التشكل نحو الشريط.

بروتوكول مثالي لتخليق الذهب النانوي النانوي

تشمل مواد السلائف المستخدمة لتصنيع AuNPs المطلية بالسيترات HAuCl4 وسترات الصوديوم والماء المقطر. من أجل تحضير العينة ، تضمنت الخطوة الأولى إذابة HAuCl4 في الماء المقطر بتركيز 0.03 M. بعد ذلك ، تمت إضافة محلول HAuCl4 (2 mL) بالتنقيط إلى 20 mL من محلول سترات الصوديوم المائي 0.03 M. خلال مرحلة الخلط ، تم إدخال مسبار بالموجات فوق الصوتية عالي الكثافة (20 كيلو هرتز) مع بوق بالموجات فوق الصوتية في المحلول لمدة 5 دقائق بقوة سبر تبلغ 17.9 واط سم²
(راجع Dhabey في al. 2020)

توليف الحزام النانوي الذهبي باستخدام Sonication

يمكن تصنيع الأحزمة النانوية الكريستالين المفردة (انظر صورة TEM على اليسار) عن طريق صوتنة محلول مائي من HAuCl4 في وجود α-D-Glucose كريجين. تظهر الأحزمة النانوية الذهبية المركبة بالموجات فوق الصوتية متوسط عرض يتراوح من 30 إلى 50 نانومتر وطول عدة ميكرومترات. التفاعل بالموجات فوق الصوتية لإنتاج الأحزمة النانوية الذهبية بسيط وسريع ويتجنب استخدام المواد السامة. (راجع تشانغ وآخرون ، 2006)

السطحي للتأثير على التوليف الصوتي للذهب NPs

تطبيق الموجات فوق الصوتية المكثفة على التفاعلات الكيميائية يبدأ ويعزز التحويل والعائدات. من أجل الحصول على حجم جسيم موحد وبعض الأشكال / الأشكال المستهدفة ، يعد اختيار المواد الخافضة للتوتر السطحي عاملا حاسما. تساعد إضافة الكحول أيضا في التحكم في شكل الجسيمات وحجمها. على سبيل المثال ، في وجود a-d-glucose ، فإن التفاعلات الرئيسية في عملية انحلال الموجات فوق الصوتية ل HAuCl المائي₄ كما هو موضح في المعادلات التالية (1-4):
(1) ح₂ O —> H∙ + OH∙
(2) sugar —> pyrolysis radicals
(3) أالثالث + reducing radicals —> Au⁰
(4) ناو⁰ —> AuNP (nanobelts)
(راجع تشاو وآخرون ، 2014)

قوة الموجات فوق الصوتية من نوع المسبار

مجسات الموجات فوق الصوتية أو sonotrodes (وتسمى أيضا قرون الموجات فوق الصوتية) تقديم الموجات فوق الصوتية عالية الكثافة والتجويف الصوتي في شكل مركز للغاية في المحاليل الكيميائية. يسمح هذا النقل الفعال الذي يمكن التحكم فيه بدقة للموجات فوق الصوتية بظروف موثوقة ويمكن التحكم فيها بدقة وقابلة للتكرار ، حيث يمكن بدء مسارات التفاعل الكيميائي وتكثيفها وتبديلها. في المقابل ، يوفر الحمام بالموجات فوق الصوتية (المعروف أيضا باسم المنظف بالموجات فوق الصوتية أو الخزان) الموجات فوق الصوتية بكثافة طاقة منخفضة للغاية وبقع تجويف تحدث بشكل عشوائي في حجم سائل كبير. هذا يجعل الحمامات بالموجات فوق الصوتية غير موثوقة لأي تفاعلات سونوكيميائية.
"حمامات التنظيف بالموجات فوق الصوتية لديها كثافة طاقة تتوافق مع نسبة صغيرة من تلك الناتجة عن القرن بالموجات فوق الصوتية. استخدام حمامات التنظيف في سونوكيمياء محدود ، مع الأخذ في الاعتبار أن حجم الجسيمات المتجانسة تماما والتشكل لا يتم الوصول إليها دائما. ويرجع ذلك إلى الآثار الفيزيائية للموجات فوق الصوتية على عمليات التنوي والنمو ". (غونزاليس ميندوزا وآخرون 2015)

الموجات فوق الصوتية عالية الأداء لتوليف الجسيمات النانوية الذهب

Hielscher الفوق صوتيات توفر معالجات الموجات فوق الصوتية قوية وموثوق بها للتوليف سونوكيميائي (سونو التوليف) من الجسيمات النانوية مثل الذهب وغيرها من الهياكل النانوية المعدنية النبيلة. يزيد التحريض والتشتت بالموجات فوق الصوتية من نقل الكتلة في الأنظمة غير المتجانسة ويعزز الترطيب والتنوي اللاحق لمجموعات الذرات من أجل ترسيب جزيئات النانو. التوليف بالموجات فوق الصوتية لجزيئات النانو هو طريقة بسيطة وفعالة من حيث التكلفة ومتوافقة حيويا وقابلة للتكرار وسريعة وآمنة.
Hielscher الفوق صوتيات توفر قوية ويمكن التحكم فيها بدقة معالجات بالموجات فوق الصوتية لتشكيل هياكل نانو الحجم مثل nanosheres، نانورود، نانوبست، نانو شرائط، نانوعنادي، الجسيمات الأساسية قذيفة الخ.
اقرأ المزيد عن التوليف بالموجات فوق الصوتية للجسيمات النانوية المغناطيسية!
عملائنا نقدر الميزات الذكية للأجهزة الرقمية Hielscher، والتي هي مجهزة برامج ذكية، شاشة ملونة تعمل باللمس، بروتوكول البيانات التلقائي على بطاقة SD مدمجة وتتميز بقائمة بديهية لعملية سهلة الاستخدام وآمنة.
تغطي نطاق الطاقة الكامل من 50 واط بالموجات فوق الصوتية المحمولة باليد للمختبر حتى 16,000 واط أنظمة الموجات فوق الصوتية الصناعية القوية ، تمتلك Hielscher الإعداد بالموجات فوق الصوتية المثالية لتطبيقك. تتوفر المعدات الكيميائية الصوتية للإنتاج المضمن الدفعي والمستمر في مفاعلات التدفق بسهولة في أي حجم صناعي وأعلى منضدة. تسمح متانة أجهزة الصوتنة Hielscher بالتشغيل 24/7 في الخدمة الشاقة وفي البيئات الصعبة.

يمنحك الجدول أدناه مؤشرا على قدرة المعالجة التقريبية لأجهزة الموجات فوق الصوتية لدينا: