Qızıl nanohissəciklərinin səmərəli və idarə olunan sintezi

Eyni forma və morfologiyaya malik qızıl nanohissəcikləri sonokimyəvi yolla səmərəli şəkildə sintez edilə bilər. Ultrasəsin stimullaşdırdığı qızıl nanohissəciklərinin sintezi reaksiyasını hissəcik ölçüsü, forması (məsələn, nanosferlər, nanoçubuqlar, nanokəmərlər və s.) və morfologiyası baxımından dəqiq idarə etmək mümkündür. Effektiv, sadə, sürətli və ekoloji təmiz kimyəvi prosedur qızıl nanostrukturlarının sənaye miqyasında etibarlı istehsalına imkan verir.

Qızıl nanohissəcikləri və nanostrukturları

Nanoölçülü qızılın elektron, maqnit və optik xüsusiyyətləri, kvant ölçü effektləri, səthi plazmon rezonansı, yüksək katalitik aktivliyi, öz-özünə təşkilatlanması və digər unikal xassələri sayəsində qızıl nanohissəcikləri və nanoölçülü strukturlar elmi tədqiqat və işlənmələrdə, eləcə də sənaye proseslərində geniş tətbiq olunur. Qızıl nanohissəciklərinin (Au-NPs) tətbiq sahələri katalizator kimi istifadədən nanoelektron cihazların istehsalına qədər uzanır və görüntüləmə, nanofotonika, nanomaqnetizm, biosensorlar, kimyəvi sensorlar, optik və teranostik tətbiqlər, dərmanların çatdırılması və digər istifadə sahələrini əhatə edir.

Qızıl nanohissəciklərinin sintez üsulları

Nanostrukturlu qızıl hissəcikləri yüksək məhsuldarlıqlı ultrasəs emalından istifadə etməklə müxtəlif yollarla sintez edilə bilər. Ultrasəs emalı sadə, səmərəli və etibarlı üsul olmaqla yanaşı, toksik və ya sərt təsirli kimyəvi reagentlər olmadan qızıl ionlarının kimyəvi reduksiyası üçün şərait yaradır və müxtəlif morfologiyalı nəcib metal nanohissəciklərinin əmələ gəlməsinə imkan verir. Sintez yolunun və sonokimyəvi emalın (sonosintez də adlanır) seçilməsi eyni ölçü və morfologiyaya malik qızıl nanosferləri, nanoçubuqları, nanokəmərləri və s. kimi qızıl nanostrukturlarının istehsalına imkan verir.
Aşağıda qızıl nanohissəciklərinin hazırlanması üçün seçilmiş sonokimyəvi yollarla tanış ola bilərsiniz.

Ultrasəslə təkmilləşdirilmiş Turkevich üsulu

Ultrasəs emalı Turkevich sitratla reduksiya reaksiyasını, eləcə də dəyişdirilmiş Turkevich prosedurlarını intensivləşdirmək üçün istifadə olunur.
Turkevich üsulu diametri təxminən 10–20nm olan, orta dərəcədə monodispers sferik qızıl nanohissəcikləri əmələ gətirir. Daha böyük hissəciklər istehsal edilə bilər, lakin bu zaman monodisperslik və forma pisləşir. Bu üsulda isti xloroaurat turşusu natrium sitrat məhlulu ilə emal edilir və kolloid qızıl əmələ gəlir. Turkevich reaksiyası müvəqqəti qızıl nanotellərinin əmələ gəlməsi ilə gedir. Reaksiya məhlulunun yaqut qırmızısı rənginə çevrilməzdən əvvəl tünd görünməsinə bu qızıl nanotelləri səbəb olur.
Qızıl nanohissəciklərini sonokimyəvi yolla sintez etmiş Fuentes-García et al. (2020) bildirirlər ki, ultrasəs emalından yeganə enerji mənbəyi kimi istifadə etməklə, laboratoriya tələblərini azaldaraq və sadə parametrləri dəyişməklə xassələri idarə edərək yüksək udulma qarşılıqlı təsirinə malik qızıl nanohissəcikləri istehsal etmək mümkündür.
Lee et al. (2012) ultrasəs enerjisinin ölçüləri 20 ilə 50 nm arasında tənzimlənən sferik qızıl nanohissəciklərinin (AuNPs) istehsalı üçün əsas parametr olduğunu göstərmişlər. Natrium sitratla reduksiya vasitəsilə sonosintez atmosfer şəraitində sulu məhlulda monodispers sferik qızıl nanohissəcikləri əmələ gətirir.

Ultrasəsdən istifadə edən Turkevich-Frens üsulu

Yuxarıda təsvir olunan reaksiya yolunun dəyişdirilmiş variantı qızıl nanohissəciklərinin sintezi üçün sadə, çoxmərhələli proses olan Turkevich-Frens üsuludur. Ultrasəs emalı Turkevich-Frens reaksiya yolunu Turkevich yolu ilə eyni şəkildə stimullaşdırır. Reaksiyaların ardıcıl və paralel getdiyi çoxmərhələli Turkevich-Frens prosesinin ilkin mərhələsi dikarboksi aseton əmələ gətirən sitratın oksidləşməsidir. Sonra üçvalentli qızıl duzunun reduksiyası ilə birvalentli qızıl duzu və Au⁰ alınır və birvalentli qızıl duzu Au⁰ atomları üzərində toplanaraq AuNP əmələ gətirir (aşağıdakı sxemə baxın).
 

Turkevich üsulu ilə qızıl nanohissəciklərinin sintezi.
sxem və tədqiqat: ©Zhao et al., 2013

Bu o deməkdir ki, Turkevich-Frens reaksiyasında faktiki AuNP stabilizatoru kimi sitratın özü deyil, sitratın oksidləşməsi nəticəsində yaranan dikarboksi aseton çıxış edir. Sitrat duzu əlavə olaraq sistemin pH göstəricisini dəyişir, bu isə qızıl nanohissəciklərinin (AuNPs) ölçüsünə və ölçü paylanmasına təsir göstərir. Turkevich-Frens reaksiyasının bu şəraiti hissəcik ölçüləri 20 ilə 40nm arasında olan, demək olar ki, monodispers qızıl nanohissəcikləri əmələ gətirir. Hissəciklərin dəqiq ölçüsü məhlulun pH göstəricisini, eləcə də ultrasəs parametrlərini dəyişməklə tənzimlənə bilər. Trinatrium sitrat dihidratın məhdud reduksiya qabiliyyəti səbəbindən sitratla stabilləşdirilmiş AuNP-lər həmişə 10 nm-dən böyük olur. Lakin AuNP-lərin sintezi zamanı D₂O həlledici kimi H2O əvəzinə istifadə edildikdə hissəcik ölçüsü 5 nm olan AuNP-ləri sintez etmək mümkün olur. D2O əlavə edilməsi sitratın reduksiya gücünü artırdığı üçün D2O ilə C₆H₉Na₃O₉ birləşməsi. (bax: Zhao et al., 2013)

Sonokimyəvi Turkevich-Frens yolu üçün protokol

Turkevich-Frens üsulu ilə aşağıdan yuxarıya qurulma prosedurunda qızıl nanohissəciklərini sintez etmək üçün 50mL xloroaurat turşusu (HAuCl₄) məhlulu, 0,025 mM qatılıqda, 100 mL həcmli şüşə stəkana tökülür; həmin stəkana 1 mL həcmində 1,5% (w/v) sulu trinatrium sitrat məhlulu (Na₃Ct) otaq temperaturunda ultrasəs emalı altında əlavə edilir. Ultrasəs emalı 60W, 150W və 210W gücündə aparılmışdır. Na₃Ct/HAuCl₄ nisbəti nümunələrdə 3:1 (w/v) təşkil edir. Ultrasəs emalından sonra kolloid məhlullar müxtəlif rənglər göstərmişdir: 60 W üçün bənövşəyi, 150 və 210 W nümunələri üçün isə yaqut qırmızısı. Struktur xarakteristikasına əsasən, ultrasəs emalının gücünü artırmaqla qızıl nanohissəciklərinin daha kiçik ölçülü və daha sferik klasterləri əldə edilmişdir. Fuentes-García et al. (2021) tədqiqatlarında ultrasəs emalının artırılmasının sonokimyəvi yolla sintez edilmiş qızıl nanohissəciklərinin ölçüsünə, çoxüzlü strukturuna və optik xassələrinə, eləcə də onların əmələ gəlməsinin reaksiya kinetikasına güclü təsirini göstərirlər. Uyğunlaşdırılmış sonokimyəvi prosedurla həm 16nm, həm də 12nm ölçülü qızıl nanohissəcikləri istehsal edilə bilər. (Fuentes-García et al., 2021)
 

(a,b) TEM təsviri (50 nm miqyasında) və (c) aşağıda göstərilən ultrasəs emalı gücündə sintez edilmiş AuNP-lərin ölçü paylanması:
ultrasəs emalı gücü 17,9 Wcm2.
Şəkil və tədqiqat: © Dheyab et al., 2020.

Qızıl nanohissəciklərinin sonolizi

Qızıl hissəciklərinin eksperimental alınmasının digər üsulu sonolizdir; burada diametri 10 nm-dən kiçik olan qızıl hissəciklərinin sintezi üçün ultrasəs tətbiq edilir. Reagentlərdən asılı olaraq sonolitik reaksiya müxtəlif yollarla aparıla bilər. Məsələn, HAuCl₄ sulu məhlulunun qlükoza ilə ultrasəs emalı zamanı hidroksil radikalları və şəkərin piroliz radikalları reduksiyaedici maddələr kimi çıxış edir. Bu radikallar intensiv ultrasəsin yaratdığı və çökən boşluqlarla suyun əsas həcmi arasındakı fazalararası sərhəd sahəsində əmələ gəlir. Qızıl nanostrukturları morfoloji baxımdan eni 30–50 nm və uzunluğu bir neçə mikrometr olan nanolentlərdir. Bu lentlər çox çevikdir və 90°-dən böyük bucaqlarla əyilə bilir. Qlükoza onun oliqomeri olan siklodekstrinlə əvəz edildikdə yalnız sferik qızıl hissəcikləri alınır; bu, morfologiyanı lent formasına yönəltmək üçün qlükozanın zəruri olduğunu göstərir.

Nanoqızılın sonokimyəvi sintezi üçün nümunə protokol

Sitratla örtülmüş AuNP-ləri sintez etmək üçün istifadə edilən prekursor materiallara HAuCl4, natrium sitrat və distillə edilmiş su daxildir. Nümunənin hazırlanmasının ilk mərhələsində HAuCl4 distillə edilmiş suda 0,03 M qatılıqda həll edilmişdir. Sonra HAuCl4 məhlulu (2 mL) 20 mL həcmində 0,03 M sulu natrium sitrat məhluluna damcı-damcı əlavə edilmişdir. Qarışdırma mərhələsində ultrasəs buynuzu olan yüksək sıxlıqlı ultrasəs zondu (20 kHz) məhlula daxil edilmiş və 5 min ərzində səsləndirmə gücü 17,9 W·cm²
(bax: Dhabey at al. 2020)

Ultrasəs emalı ilə qızıl nanokəmərlərinin sintezi

Monokristal nanokəmərlər (soldakı TEM təsvirinə baxın) reagent kimi α-D-qlükozanın iştirakı ilə HAuCl4 sulu məhlulunun ultrasəs emalı vasitəsilə sintez edilə bilər. Sonokimyəvi yolla sintez edilmiş qızıl nanokəmərlərinin orta eni 30 ilə 50 nm arasında, uzunluğu isə bir neçə mikrometr olur. Qızıl nanokəmərlərinin istehsalı üçün ultrasəs reaksiyası sadə və sürətlidir, toksik maddələrin istifadəsinin qarşısını alır. (bax: Zhang et al, 2006)

Qızıl nanohissəciklərinin sonokimyəvi sintezinə təsir göstərən səthi aktiv maddələr

Kimyəvi reaksiyalara intensiv ultrasəsin tətbiqi çevrilməni başladır və stimullaşdırır, məhsul çıxımını artırır. Eyni hissəcik ölçüsünü və müəyyən hədəf formaları / morfologiyaları əldə etmək üçün səthi aktiv maddələrin seçilməsi həlledici amildir. Spirtlərin əlavə edilməsi də hissəciklərin forma və ölçüsünü idarə etməyə kömək edir. Məsələn, a-d-qlükozanın iştirakı ilə HAuCl₄ sulu məhlulunun sonolizi prosesində əsas reaksiyalar aşağıdakı tənliklərdə (1-4) göstərildiyi kimidir:
(1) H₂ O –> H∙ + OH∙
(2) şəkər –> piroliz radikalları
(3) AIII + reduksiyaedici radikallar –> Au⁰
(4) nAu⁰ –> AuNP (nanokəmərlər)
(bax: Zhao et al., 2014)

Zond tipli ultrasəs cihazlarının gücü


Ultrasəs zondları və ya sonotrodlar (ultrasəs buynuzları da adlanır) yüksək intensivlikli ultrasəsi və akustik kavitasiyanı kimyəvi məhlullara çox fokuslanmış şəkildə ötürür. Güclü ultrasəsin bu dəqiq idarə olunan və səmərəli ötürülməsi kimyəvi reaksiya yollarının başladılması, intensivləşdirilməsi və dəyişdirilməsi üçün etibarlı, dəqiq idarə olunan və təkrarlana bilən şərait yaradır. Bunun əksinə, ultrasəs vannası (ultrasəs təmizləyicisi və ya çəni də adlanır) böyük maye həcminə çox aşağı güc sıxlıqlı ultrasəs ötürür və təsadüfi yaranan kavitasiya sahələri əmələ gətirir. Bu, ultrasəs vannalarını istənilən sonokimyəvi reaksiya üçün etibarsız edir.
“Ultrasəs təmizləmə vannalarının güc sıxlığı ultrasəs buynuzunun yaratdığı güc sıxlığının kiçik bir faizinə uyğun gəlir. Hissəcik ölçüsü və morfologiyasının tam eynicinsliliyinə həmişə nail olunmadığı nəzərə alındıqda, təmizləmə vannalarının sonokimyada istifadəsi məhduddur. Bu, ultrasəsin nüvələnmə və böyümə proseslərinə fiziki təsirləri ilə bağlıdır.” (González-Mendoza et al. 2015)

Qızıl nanohissəciklərinin sintezi üçün yüksək məhsuldarlıqlı ultrasəs cihazları

Hielscher Ultrasonics qızıl və digər nəcib metal nanostrukturları kimi nanohissəciklərin sonokimyəvi sintezi (sonosintez) üçün güclü və etibarlı ultrasəs prosessorları təchiz edir. Ultrasəslə qarışdırma və dispersləşdirmə heterogen sistemlərdə kütlə ötürülməsini artırır, nanohissəciklərin çökməsi üçün atom klasterlərinin islanmasını və sonrakı nüvələnməsini stimullaşdırır. Nanohissəciklərin ultrasəslə sintezi sadə, iqtisadi cəhətdən səmərəli, biouyğun, təkrarlana bilən, sürətli və təhlükəsiz üsuldur.
Hielscher Ultrasonics nanosferlər, nanoçubuqlar, nanokəmərlər, nanolentlər, nanoklasterlər, nüvə–qabıq hissəcikləri və s. kimi nanoölçülü strukturların əmələ gətirilməsi üçün güclü və dəqiq idarə olunan ultrasəs prosessorları təchiz edir.
Brokolinin vasitəçiliyi ilə qızıl nanohissəciklərinin ultrasəslə sintezi və onların biogen dərmanlar kimi istifadəsi haqqında daha ətraflı oxuyun!
Maqnit nanohissəciklərinin ultrasəslə sintezi haqqında daha ətraflı oxuyun!
Müştərilərimiz ağıllı proqram təminatı, rəngli sensor ekran, daxili SD kartda avtomatik məlumat qeydi və rahat, təhlükəsiz istifadə üçün intuitiv menyu ilə təchiz olunmuş Hielscher rəqəmsal cihazlarının ağıllı funksiyalarını yüksək qiymətləndirirlər.
Laboratoriya üçün 50 vatt gücündə əl ultrasəs cihazlarından 16.000 vatta qədər güclü sənaye ultrasəs sistemlərinədək tam güc diapazonunu əhatə edən Hielscher tətbiqiniz üçün ideal ultrasəs qurğusuna malikdir. Axınkeçirmə reaktorlarında partiyalarla və fasiləsiz axında istehsal üçün sonokimyəvi avadanlıqlar istənilən masaüstü və sənaye ölçüsündə asanlıqla əldə edilə bilər. Hielscher ultrasəs cihazlarının möhkəmliyi ağır iş rejimində və çətin şəraitdə 24/7 işləməyə imkan verir.

Aşağıdakı cədvəl ultrasəs cihazlarımızın təxmini emal tutumu barədə məlumat verir: