مسار أخضر قائم على الكيمياء الصوتية لتحضير جسيمات الفضة النانوية
جسيمات الفضة النانوية (AgNPs) هي مواد نانوية شائعة الاستخدام بسبب خصائصها المضادة للميكروبات وخصائصها البصرية وموصليتها الكهربائية العالية. يُعد المسار القائم على الكيمياء الصوتية باستخدام كابا كاراجينان طريقة تخليق بسيطة وميسرة وصديقة للبيئة لتحضير جسيمات الفضة النانوية. ويُستخدم κ-كاراجينان بوصفه عامل تثبيت طبيعيًا وصديقًا للبيئة، بينما تعمل الموجات فوق الصوتية عالية القدرة بوصفها عامل اختزال أخضر.
تتطلب الكيمياء الخضراء تحكمًا دقيقًا في المعلمات. سيساعدك مهندسونا المتخصصون في المواد النانوية على اختيار السونوترود المناسب وهندسة المفاعل وإعدادات القدرة لزيادة المردود إلى أقصى حد، والتحكم في مورفولوجيا الجسيمات، وضمان الامتثال الكامل لمبادئ الكيمياء الخضراء.
Ag+/κ-carrageenan (يسارًا) وAg/κ-carrageenan بعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية (يمينًا). أُجريت المعالجة بالموجات فوق الصوتية باستخدام UP400S لمدة 90min.
[Elsupikhe et al. 2015]
التخليق الأخضر لجسيمات الفضة النانوية بالموجات فوق الصوتية
طوّر Elsupikhe وآخرون (2015) مسار تخليق أخضر بمساعدة الموجات فوق الصوتية لتحضير جسيمات الفضة النانوية (AgNPs). ومن المعروف أن الكيمياء الصوتية تعزز العديد من التفاعلات الكيميائية في الأوساط السائلة. وتتيح المعالجة بالموجات فوق الصوتية تخليق AgNPs باستخدام κ-كاراجينان بوصفه عامل تثبيت طبيعيًا. ويجري التفاعل في درجة حرارة الغرفة وينتج جسيمات فضة نانوية ذات بنية بلورية مكعبة متمركزة الوجوه (fcc) خالية من أي شوائب. ويمكن التأثير في توزيع أحجام جسيمات AgNPs من خلال تركيز κ-كاراجينان.
مخطط التفاعل بين المجموعات المشحونة لجسيمات Ag-NPs المغطاة بـκ-كاراجينان أثناء المعالجة بالموجات فوق الصوتية. [Elsupikhe et al. 2015]
الإجراء: التخليق المستدام لجسيمات الفضة النانوية
- خُلّقت جسيمات Ag-NPs باختزال AgNO3 باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية في وجود κ-كاراجينان. وللحصول على عينات مختلفة، حُضّرت خمسة معلقات بإضافة 10 mL من محلول بتركيز 0.1 M من AgNO3 إلى 40-mL من κ-كاراجينان. وكانت تراكيز محاليل κ-كاراجينان المستخدمة 0.1 و0.15 و0.20 و0.25 و0.3 wt%، على التوالي.
- حُرّكت المحاليل لمدة 1h للحصول على AgNO3/κ-carrageenan.
- ثم عُرّضت العينات لإشعاع مكثف بالموجات فوق الصوتية: ضُبطت سعة جهاز الموجات فوق الصوتية UP400S (400W، 24kHz) على 50%. وأُجريت المعالجة بالموجات فوق الصوتية لمدة 90min في درجة حرارة الغرفة. وغُمر سونوترود أجهزة معالجة السوائل بالموجات فوق الصوتية UP400S مباشرةً في محلول التفاعل.
- بعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية، خضعت المعلقات للطرد المركزي لمدة 15min، وغُسلت بماء مقطر مرتين أربع مرات لإزالة بقايا أيونات الفضة. وجُففت الجسيمات النانوية المترسبة عند 40°C تحت التفريغ طوال الليل للحصول على Ag-NPs.
المعادلة
- nH₂O —المعالجة بالموجات فوق الصوتية–> +H + OH
- OH + RH –> R + H₂O
- AgNo₃–التحلل المائي–> Ag+ + NO₃–
- R + Ag+ —> Ag° + R’ + H+
- Ag+ + H –الاختزال–> Ag°
- Ag+ + H2O —> Ag° + OH + H+
التحليل والنتائج: جسيمات الفضة النانوية المُخلّقة بالموجات فوق الصوتية
لتقييم النتائج، حُلّلت العينات باستخدام التحليل الطيفي بالأشعة فوق البنفسجية والضوء المرئي، وحيود الأشعة السينية، والتحليل الكيميائي بمطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FT-IR)، وصور المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM).
ازداد عدد جسيمات Ag-NPs مع زيادة تراكيز κ-كاراجينان. وحُدّد تكوّن Ag/κ-carrageenan بواسطة مطيافية الأشعة فوق البنفسجية والضوء المرئي، حيث لوحظت ذروة امتصاص البلازمون السطحي عند 402 إلى 420nm. وأظهر تحليل حيود الأشعة السينية (XRD) أن جسيمات Ag-NPs ذات بنية مكعبة متمركزة الوجوه. وأشار طيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FT-IR) إلى وجود Ag-NPs في κ-كاراجينان. وأظهرت صورة المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) عند أعلى تركيز من κ-كاراجينان توزيع جسيمات Ag-NPs بمتوسط حجم جسيمات يقارب 4.21nm. وأوضحت صور المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) الشكل الكروي لجسيمات Ag-NPs. ويُظهر تحليل SEM أنه مع زيادة تركيز κ-كاراجينان، حدثت تغيرات في سطح Ag/κ-carrageenan، مما أدى إلى الحصول على جسيمات Ag-NPs صغيرة الحجم وكروية الشكل.
صور TEM وتوزيعات الأحجام المقابلة لـAg/κ-carrageenan المُخلّق بالكيمياء الصوتية عند تراكيز مختلفة من κ-كاراجينان. [0.1% و0.2% و0.3%، على التوالي (a, b, c)].
UP400S – جهاز الموجات فوق الصوتية المستخدم لتخليق جسيمات Ag النانوية بالكيمياء الصوتية
المصادر/المراجع
- Elsupikhe, Randa Fawzi; Shameli, Kamyar; Ahmad, Mansor B; Ibrahim, Nor Azowa; Zainudin, Norhazlin (2015): Green sonochemical synthesis of silver nanoparticles at varying concentrations of κ-carrageenan. Nanoscale Research Letters 10. 2015.
- Reza Kazemi Oskuee, Azhar Banikamali, Bibi Sedigheh Fazly Bazzaz, Hasan Ali Hosseini, and Majid Darroudi (2016): Honey-Based and Ultrasonic-Assisted Synthesis of Silver Nanoparticles and Their Antibacterial Activities. Journal of Nanoscience and Nanotechnology Vol. 16, 7989–7993, 2016.
- Bose, Rahul & Roychoudhury, Piya & Pal, Ruma (2021): In-situ green synthesis of fluorescent silica–silver conjugate nanodendrites using nanoporous frustules of diatoms: an unprecedented approach. Bioprocess and Biosystems Engineering 44, 2021
- I. De La Calle, N. Cabaleiro, M. Costas, F. Pena, S. Gil, I. Lavilla, C. Bendicho (2011): Ultrasound-assisted extraction of gold and silver from environmental samples using different extractants followed by electrothermal-atomic absorption spectrometry. Microchemical Journal, Volume 97, Issue 2, 2011. 93-100.
الأسئلة الشائعة: التخليق الأخضر لجسيمات الفضة النانوية بالكيمياء الصوتية
كيف تحسّن الموجات فوق الصوتية التخليق الأخضر لجسيمات الفضة النانوية؟
تُحدث الموجات فوق الصوتية التجويف الصوتي، مما يولّد مناطق ساخنة موضعية تختزل أيونات الفضة بسرعة باستخدام عوامل صديقة للبيئة. وتُسرّع هذه العملية الكيميائية الصوتية حركية التفاعل، وتعزز التنوي المنتظم، وتتيح التحكم الدقيق في حجم الجسيمات وشكلها – وكل ذلك دون مواد كيميائية قاسية أو طاقة حرارية عالية.
ما المزايا الرئيسية للمسار الأخضر القائم على الكيمياء الصوتية لتحضير AgNPs؟
يجمع التخليق الأخضر بالكيمياء الصوتية بين الموجات فوق الصوتية وعوامل الاختزال والتغطية المتوافقة حيويًا (مثل المستخلصات النباتية أو السكريات أو البوليمرات) لإنتاج جسيمات فضة نانوية غير سامة وغير ضارة بالبيئة. وتقلل هذه الطريقة استهلاك الطاقة، وتقصّر زمن التخليق، وتزيل النواتج الثانوية الخطرة، وتنتج جسيمات نانوية عالية الثبات ذات توزيع أحجام متسق.
هل يمكن للموجات فوق الصوتية التحكم في حجم جسيمات الفضة النانوية ومورفولوجيتها؟
نعم. يمكن للمصنّعين ضبط معدلات التنوي والنمو بدقة من خلال تعديل سعة الموجات فوق الصوتية وترددها وكثافة قدرتها وزمن المعالجة بالموجات فوق الصوتية. ويتيح ذلك إنتاج AgNPs بأحجام تتراوح بين 5–100 nm بصورة قابلة للتكرار وبأشكال متنوعة (كرات ومكعبات وصفائح مثلثة)، بما يلائم تطبيقات طبية حيوية أو إلكترونية أو صناعية محددة.
هل يمكن توسيع نطاق التخليق الأخضر بالموجات فوق الصوتية لإنتاج AgNPs صناعيًا؟
بالتأكيد. تدعم أجهزة المعالجة الصناعية بالموجات فوق الصوتية مفاعلات التدفق المستمر التي يمكن توسيع نطاقها بسلاسة من الدفعات المختبرية إلى التصنيع الكامل. وتضمن المعالجة بالموجات فوق الصوتية ضمن خط الإنتاج توزيعًا منتظمًا للتجويف، ومراقبة العملية في الوقت الفعلي، والاتساق بين الدفعات، مما يجعلها مثالية لتصنيع AgNPs بكميات كبيرة وبطريقة صديقة للبيئة.
ما عوامل الاختزال الخضراء الأكثر فاعلية في تخليق جسيمات الفضة النانوية بالموجات فوق الصوتية؟
تشمل العوامل الفعالة الصديقة للبيئة المستخلصات النباتية (مثل الألوة والشاي الأخضر وقشور الحمضيات)، والكربوهيدرات، والأحماض الأمينية، والبروتينات، والبوليمرات القابلة للتحلل الحيوي. وتعزز الموجات فوق الصوتية كفاءتها في الاختزال والتثبيت، مما يتيح الاستعاضة الكاملة عن المواد الكيميائية الاصطناعية مع الحفاظ على مردود مرتفع وثبات غروي وأداء وظيفي.
كيف يُقارن التخليق بالكيمياء الصوتية بالطرق الكيميائية التقليدية لتحضير AgNPs؟
غالبًا ما تعتمد المسارات الكيميائية التقليدية على عوامل اختزال سامة (مثل بوروهيدريد الصوديوم) وقيم متطرفة للأس الهيدروجيني، وتولّد نفايات خطرة. ويستخدم التخليق الأخضر بالكيمياء الصوتية مواد آمنة ومتجددة، ويجري عند درجة حرارة الوسط المحيط أو درجات حرارة معتدلة، ويقلص زمن المعالجة بدرجة كبيرة، وينتج جسيمات نانوية أنظف وأكثر توافقًا حيويًا، مع تشتت أفضل وعمر تخزيني أطول.
ما الصناعات التي تستفيد من جسيمات الفضة النانوية المُخلّقة بطريقة خضراء بالموجات فوق الصوتية؟
تُستخدم AgNPs المُخلّقة بطرق الكيمياء الصوتية الخضراء على نطاق واسع في الطلاءات المضادة للميكروبات، والأجهزة الطبية، والعناية بالجروح، وترشيح المياه، والإلكترونيات المرنة، والتغليف المستدام. ويضمن إنتاجها الصديق للبيئة الامتثال لمعايير البيئة والسلامة الصارمة، مع تقديم أداء عالٍ والحصول على القبول التنظيمي.
ما جسيمات الفضة النانوية؟
تتميز جسيمات الفضة النانوية بحجم يتراوح بين 1nm و100nm. ومع أنها تُوصف غالبًا بأنها «فضة»، فإن بعضها يتكون من نسبة كبيرة من أكسيد الفضة بسبب ارتفاع نسبة ذرات الفضة السطحية إلى ذرات الفضة في الحجم الداخلي. ويمكن أن تتخذ جسيمات الفضة النانوية بُنى مختلفة. وأكثرها شيوعًا في التخليق الجسيمات الكروية، لكن تُستخدم أيضًا الأشكال المعينية وثمانية الأضلاع والصفائح الرقيقة.
تُستخدم جسيمات الفضة النانوية بكثرة في التطبيقات الطبية. وتتمتع أيونات الفضة بنشاط حيوي وتأثيرات قوية مضادة للميكروبات وقاتلة للجراثيم. وتتيح مساحة سطحها الكبيرة للغاية الارتباط التناسقي بالعديد من الربيطات. ومن خصائصها المهمة الأخرى الموصلية والخصائص البصرية الفريدة.
بفضل خصائصها الموصلة، غالبًا ما تُدمج جسيمات الفضة النانوية في المواد المركبة والبلاستيك وراتنجات الإيبوكسي والمواد اللاصقة. وتزيد جسيمات الفضة الموصلية الكهربائية؛ لذلك تُستخدم معاجين الفضة وأحبارها كثيرًا في تصنيع الإلكترونيات. وبما أن جسيمات الفضة النانوية تدعم البلازمونات السطحية، فإن AgNPs تتمتع بخصائص بصرية متميزة. وتُستخدم جسيمات الفضة النانوية البلازمونية في المستشعرات والكواشف والمعدات التحليلية، مثل مطيافية رامان المعززة بالسطح (SERS) ومطيافية الفلورة المعززة بمجال البلازمون السطحي (SPFS).
ما الكاراجينان؟
الكاراجينان بوليمر طبيعي منخفض التكلفة يوجد في أنواع مختلفة من الطحالب البحرية الحمراء. والكاراجينانات عديدات سكاريد خطية مكبرتة تُستخدم على نطاق واسع في صناعة الأغذية بفضل خصائصها في تكوين الهلام والتثخين والتثبيت. ويتركز استخدامها الرئيسي في منتجات الألبان واللحوم بسبب ارتباطها القوي بالبروتينات الغذائية. وهناك ثلاثة أنواع رئيسية من الكاراجينان تختلف في درجة الكبرتة. يحتوي كابا كاراجينان على مجموعة كبريتات واحدة لكل وحدة سكر ثنائي. ويحتوي أيوتا كاراجينان (ι-كاراجينان) على مجموعتي كبريتات لكل وحدة سكر ثنائي. ويحتوي لامبدا كاراجينان (λ-كاراجينان) على ثلاث مجموعات كبريتات لكل وحدة سكر ثنائي.
يمتلك كابا كاراجينان (κ-كاراجينان) بنية خطية من عديد السكاريد المكبرت المكوّن من D-galactose و3,6-anhydro-D-galactose.
يُستخدم κ-كاراجينان على نطاق واسع في صناعة الأغذية، مثل استخدامه عاملًا لتكوين الهلام ولتعديل القوام. ويمكن أن يوجد بوصفه مادة مضافة في المثلجات والقشدة والجبن القريش ومخفوقات الحليب وتتبيلات السلطة والحليب المكثف المحلى وحليب الصويا وغيره من أنواع الحليب النباتي والصلصات لزيادة لزوجة المنتج.
علاوة على ذلك، يمكن أن يوجد κ-كاراجينان في منتجات غير غذائية، مثل استخدامه عامل تثخين في الشامبو وكريمات التجميل، وفي معجون الأسنان (عامل تثبيت لمنع انفصال المكونات)، ورغوة مكافحة الحرائق (عامل تثخين لجعل الرغوة لزجة)، وهلام معطرات الجو، وملمع الأحذية (لزيادة اللزوجة)، وفي التكنولوجيا الحيوية لتثبيت الخلايا/الإنزيمات، وفي المستحضرات الصيدلانية (سواغ غير فعال في الحبوب/الأقراص)، وفي أغذية الحيوانات الأليفة، وغيرها.
صور SEM لـAg/κ-carrageenan عند تراكيز مختلفة من κ-كاراجينان. [0.1% و0.2% و0.3 %، على التوالي (a, b, c)]. [Elsupikhe et al. 2015]