تخليق الفضة النانوية باستخدام العسل والموجات فوق الصوتية

تُستخدم الفضة النانوية لخصائصها المضادة للبكتيريا لتعزيز المواد في الطب وعلم المواد. تتيح المعالجة بالموجات فوق الصوتية تخليق جسيمات الفضة النانوية الكروية في الماء بسرعة وفعالية وأمان وبطريقة صديقة للبيئة. ويمكن بسهولة توسيع نطاق تخليق الجسيمات النانوية بالموجات فوق الصوتية من الإنتاج الصغير إلى الإنتاج الكبير.

التخليق بمساعدة الموجات فوق الصوتية للفضة النانوية الغروية

يُعد التخليق الكيميائي الصوتي، الذي يشير إلى التفاعلات الكيميائية التي يُيسّرها التشعيع بالموجات فوق الصوتية، طريقة واسعة الاستخدام لإنتاج الجسيمات النانوية. وتشمل هذه الجسيمات الفضة والذهب والمغنيتيت، هيدروكسي أباتيت, البيروفسكايت, اللاتكس والعديد من المواد النانوية الأخرى.

التخليق الكيميائي الرطب بالموجات فوق الصوتية

طُوّرت مسارات تخليق متعددة بمساعدة الموجات فوق الصوتية لإنتاج جسيمات الفضة النانوية. وتستخدم إحدى الطرق البارزة العسل بوصفه عامل اختزال وعامل تغطية معًا. وتعمل مكونات العسل، مثل الغلوكوز والفركتوز، بصورة تآزرية في هذين الدورين أثناء عملية التخليق.
وعلى غرار العديد من تقنيات تخليق الجسيمات النانوية، يندرج تخليق الفضة النانوية بالموجات فوق الصوتية ضمن فئة الكيمياء الرطبة. وتبدأ العملية بتكوّن نوى جسيمات الفضة النانوية داخل محلول. وأثناء المعالجة بالموجات فوق الصوتية، تُختزل مادة طليعية للفضة (مثل نترات الفضة (AgNO₃)، أو بيركلورات الفضة (AgClO₄)) في وجود عامل اختزال، مثل العسل، لإنتاج الفضة الغروية.

آلية تكوّن نوى الفضة ونموها بالموجات فوق الصوتية

مرحلة تكوّن النوى الأولية: مع زيادة تركيز أيونات الفضة الذائبة، تبدأ أيونات الفضة المعدنية بالارتباط لتكوين تجمعات صغيرة. وفي هذه المرحلة، تكون هذه التجمعات غير مستقرة من حيث الطاقة بسبب ميزان طاقة سالب. فالطاقة اللازمة لإنشاء أسطح جديدة تتجاوز الطاقة المكتسبة من خفض تركيز الفضة الذائبة.

• نصف القطر الحرج: عندما يصل التجمع إلى حجم محدد (نصف القطر الحرج)، تصبح العملية مواتية من حيث الطاقة، مما يؤدي إلى استقرار التجمع. ويتيح هذا الاستقرار للتجمع أن يعمل بوصفه نواة لمزيد من النمو.
• مرحلة النمو: أثناء النمو، تنتشر ذرات فضة إضافية عبر المحلول وتلتصق بسطح الجسيم النانوي النامي. ويستمر النمو إلى أن ينخفض تركيز الفضة الذائبة إلى ما دون عتبة تكوّن النوى، مما يوقف تكوّن نوى جديدة.
• الانتشار والاكتمال: تُدمج الفضة الذائبة المتبقية في الجسيمات النانوية الموجودة، وبذلك تكتمل العملية.

تُسرّع المعالجة بالموجات فوق الصوتية انتقال الكتلة، ولا سيما عمليتي الترطيب والانتشار، مما يؤدي إلى تكوّن النوى بسرعة أكبر وإلى نمو متحكم فيه. ومن خلال الضبط الدقيق لمعلمات المعالجة بالموجات فوق الصوتية، مثل الشدة والمدة، يمكن ضبط حجم الجسيمات النانوية ومعدل نموها وشكلها بدقة. ويضمن هذا التحكم الدقيق بنى متسقة للجسيمات النانوية ومصممة لتطبيقات محددة.

يبرز التخليق بمساعدة الموجات فوق الصوتية بوصفه نهجًا فعالًا وقابلًا لتوسيع النطاق وقائمًا على الكيمياء الخضراء لإنتاج فضة نانوية ذات خصائص محددة بدقة، ويقدم مزايا كبيرة لتطبيقات متنوعة في البحث والصناعة.

انقر هنا لقراءة المزيد عن طريقة خضراء أخرى لتخليق الفضة النانوية بالموجات فوق الصوتية باستخدام الكاراجينان!

تُيسّر المعالجة بالموجات فوق الصوتية التخليق السريع والأخضر لجسيمات فضة نانوية صغيرة ذات توزيع ضيق للأحجام.

دراسة حالة لتخليق الفضة النانوية بالموجات فوق الصوتية

تستكشف الدراسة التي أجراها Oskuee وآخرون (2016)، بعنوان «تخليق جسيمات الفضة النانوية باستخدام العسل وبمساعدة الموجات فوق الصوتية وأنشطتها المضادة للبكتيريا»، طريقة بسيطة وصديقة للبيئة لتخليق جسيمات الفضة النانوية (Ag-NPs) باستخدام العسل الطبيعي بوصفه عامل اختزال وعامل تثبيت معًا. وتتسم العملية، التي تتضمن اختزال نترات الفضة (AgNO₃) تحت التشعيع بالموجات فوق الصوتية، بمعلمات مختلفة تشمل تركيز أيونات الفضة وتركيز العسل وزمن المعالجة بالموجات فوق الصوتية. ويبلغ متوسط حجم Ag-NPs الناتجة نحو 11.8 nm، وتُظهر خصائص مضادة للبكتيريا الممرضة مثل Staphylococcus aureus وPseudomonas aeruginosa وE. coli.
تسلط الدراسة الضوء على فوائد استخدام العسل في تخليق الجسيمات النانوية، مع التأكيد على طبيعته الخضراء ومنخفضة التكلفة وغير السامة. ويُبيّن المؤلفون أنه يمكن التحكم في حجم Ag-NPs ومردودها من خلال ضبط معلمات التفاعل مثل تركيز الفضة ومحتوى العسل ومدة المعالجة بالموجات فوق الصوتية. وقد ثبت أن Ag-NPs المُخلّقة تمتلك نشاطًا فعالًا مضادًا للبكتيريا، ولا سيما ضد E. coli وS. aureus، بتركيزات مثبطة دنيا (MIC) تبلغ نحو 19.46 ppm. وتقدم هذه الطريقة تطبيقًا محتملًا لـ Ag-NPs في المجالات الطبية، بما في ذلك التئام الجروح ومكافحة العدوى.

• المواد: نترات الفضة (AgNO₃) بوصفها مادة طليعية للفضة؛ العسل بوصفه عامل تغطية / اختزال؛ الماء
• جهاز الموجات فوق الصوتية: جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار UP400St

بروتوكول التخليق بالموجات فوق الصوتية

تبيّن أن أفضل ظروف تخليق جسيمات الفضة النانوية الغروية هي التالية: اختزال نترات الفضة تحت المعالجة بالموجات فوق الصوتية بوساطة العسل الطبيعي. وباختصار، عُرّض 20 ml من محلول نترات الفضة (0.3 M) المحتوي على العسل (20 wt%) لتشعيع بموجات فوق صوتية عالية الشدة في الظروف المحيطة لمدة 30 min. وأُجريت المعالجة بالموجات فوق الصوتية باستخدام جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار UP400S (400W, 24 kHz)، المغمور مباشرة في محلول التفاعل.
يُستخدم العسل المخصص للاستخدام الغذائي بوصفه عامل تغطية / تثبيت واختزال، مما يجعل محلول تكوّن النوى المائي والجسيمات النانوية المترسبة نظيفة وآمنة لتطبيقات متعددة.
مع زيادة زمن المعالجة بالموجات فوق الصوتية، تصبح جسيمات الفضة النانوية أصغر ويزداد تركيزها.
في محلول العسل المائي، تُعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية عاملًا رئيسيًا يؤثر في تكوّن جسيمات الفضة النانوية. وتُعد معلمات المعالجة بالموجات فوق الصوتية، مثل السعة والزمن واستخدام الموجات فوق الصوتية المستمرة مقابل النبضية، عوامل رئيسية تتيح التحكم في حجم جسيمات الفضة النانوية وكميتها.

توزيع أحجام جسيمات Ag-NPs المُخلّقة في الظروف المثلى؛ تركيزات الفضة (0.3 M)، وتركيزات العسل (20 wt%)، وأزمنة التشعيع بالموجات فوق الصوتية (30 min)
مصدر الصورة: ©Oskuee et al. 2016

نتيجة تخليق جسيمات الفضة النانوية بالموجات فوق الصوتية

أنتج التخليق المعزز بالموجات فوق الصوتية وبوساطة العسل باستخدام جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية UP400St جسيمات فضة نانوية كروية (Ag-NPs) بمتوسط حجم جسيمات يبلغ نحو 11.8nm. ويُعد تخليق جسيمات الفضة النانوية بالموجات فوق الصوتية طريقة بسيطة وسريعة تُجرى في وعاء واحد. ويجعل استخدام الماء والعسل بوصفهما مواد التفاعل مجديًا من حيث التكلفة وصديقًا للبيئة بدرجة استثنائية.
يمكن توسيع نطاق تقنية التخليق بالموجات فوق الصوتية المعروضة، التي تستخدم العسل بوصفه عامل اختزال وتغطية، لتشمل معادن نبيلة أخرى، مثل الذهب والبلاديوم والنحاس، مما يتيح تطبيقات إضافية متنوعة تمتد من الطب إلى الصناعة.

توزيع أحجام جسيمات Ag-NPs المُخلّقة في الظروف المثلى؛ تركيزات الفضة (0.3 M)، وتركيزات العسل (20 wt%)، وزمن التشعيع بالموجات فوق الصوتية (30 min)
الدراسة والصورة: ©Oskuee et al. 2016

التأثير في تكوّن النوى وحجم الجسيمات بالمعالجة بالموجات فوق الصوتية

تتيح الموجات فوق الصوتية إنتاج جسيمات نانوية، مثل جسيمات الفضة النانوية، مصممة وفقًا للمتطلبات. وهناك ثلاثة خيارات عامة للمعالجة بالموجات فوق الصوتية لها تأثيرات مهمة في الناتج:
المعالجة الأولية بالموجات فوق الصوتية: يمكن أن يؤدي التطبيق القصير للموجات فوق الصوتية على محلول فوق مشبع إلى بدء استحداث البذور وتكوّن النوى. ولأن المعالجة بالموجات فوق الصوتية تُطبّق فقط خلال المرحلة الأولية، فإن نمو البلورات اللاحق يستمر دون عوائق، مما يؤدي إلى تكوّن بلورات أكبر.
المعالجة المستمرة بالموجات فوق الصوتية: يؤدي التشعيع المستمر للمحلول فوق المشبع إلى تكوّن بلورات صغيرة، لأن المعالجة بالموجات فوق الصوتية دون توقف تُنشئ عددًا كبيرًا من النوى، مما يؤدي إلى نمو العديد من البلورات الصغيرة.
المعالجة النبضية بالموجات فوق الصوتية: تعني الموجات فوق الصوتية النبضية تطبيق الموجات فوق الصوتية على فترات زمنية محددة. ويتيح الإدخال المتحكم فيه بدقة للطاقة فوق الصوتية التأثير في نمو البلورات للحصول على حجم بلوري مصمم حسب المتطلبات.

أجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء لتخليق الجسيمات النانوية

تقدم Hielscher Ultrasonics أجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية عالية القدرة وموثوقة، مصممة للتطبيقات الكيميائية الصوتية المتقدمة، بما في ذلك التخليق الصوتي والتحفيز الصوتي. ويُعزز الخلط والتشتيت بالموجات فوق الصوتية انتقال الكتلة بدرجة كبيرة، ويحفزان ترطيب تجمعات الذرات، ويُيسّران تكوّن النوى منها لاحقًا، مما يؤدي إلى ترسيب الجسيمات النانوية بكفاءة. ويُعرف التخليق بالموجات فوق الصوتية بأنه طريقة بسيطة ومجدية من حيث التكلفة ومتوافقة حيويًا وقابلة للتكرار وسريعة وآمنة لإنتاج مواد نانوية عالية الجودة. (اقرأ المزيد عن التخليق الكيميائي الصوتي للبيروفسكايت و البنى النانوية لـ ZnO!)

صُممت أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher للتحكم الدقيق، مما يتيح الظروف المثلى لتكوّن نوى المواد النانوية ونموها. وتتميز هذه الأجهزة الرقمية ببرمجيات ذكية وشاشة لمس ملونة وقائمة بديهية للتشغيل الآمن والسهل الاستخدام. كما تتضمن تسجيلًا تلقائيًا للبيانات على بطاقة SD مدمجة، مما يضمن توثيق العملية بسلاسة.

بفضل مجموعة شاملة من الأنظمة – من أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية المحمولة باليد والمدمجة بقدرة 50 واط للاستخدام المختبري إلى الأنظمة الصناعية المتينة بقدرة 16,000 واط – توفر Hielscher الحل المثالي بالموجات فوق الصوتية لكل تطبيق. وقد صُممت معدات الموجات فوق الصوتية من Hielscher لتكون متينة ولتعمل باستمرار في ظروف التشغيل الشاقة، حتى في البيئات الصعبة، مما يضمن أداءً موثوقًا على مدار 24/7.
يقدم الجدول أدناه مؤشرًا على سعة المعالجة التقريبية لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية لدينا:

مقارنة بين الطرق التقليدية وطرق التخليق الأخضر لتخليق الجسيمات النانوية.