Синтез на нано-сребро с мед и ултразвук

Наносреброто се използва заради антибактериалните си свойства за подсилване на материалите в медицината и материалознанието. Ултразвукът позволява бърз, ефикасен, безопасен и екологичен синтез на сферични сребърни наночастици във вода. Ултразвуковият синтез на наночастици може лесно да бъде мащабиран от малко до голямо производство.

Ултразвуков синтез на колоидно наносребро

Сонохимичният синтез, който се отнася до химични реакции, улеснени от ултразвуково облъчване, е широко прилаган метод за получаване на наночастици. Те включват сребро, злато, магнетит, хидроксиапатит, хлорохин, Перовскит, латекс и много други наноматериали.

Ултразвуков мокър-химичен синтез

Разработени са множество ултразвукови асистирани пътища за синтез за получаване на сребърни наночастици. Един забележителен метод използва меда както като редуциращ, така и като затварящ агент. Компонентите в меда, като глюкоза и фруктоза, действат синергично в тези роли по време на процеса на синтез.
Подобно на много техники за синтез на наночастици, ултразвуковият синтез на нано-сребро попада в категорията на мократа химия. Процесът започва с нуклеирането на сребърни наночастици в разтвор. По време на ултразвука сребърен прекурсор (напр. сребърен нитрат (AgNO₃), или сребърен перхлорат (AgClO₄)) се намалява в присъствието на редуциращ агент, като мед, за да се получи колоидно сребро.

Механизъм на ултразвуковото зародяване и растеж на среброто

Начална фаза на нуклеация: Тъй като концентрацията на разтворени сребърни йони се увеличава, металните сребърни йони започват да се свързват, за да образуват малки клъстери. На този етап тези клъстери са енергийно нестабилни поради отрицателен енергиен баланс. Енергията, необходима за създаване на нови повърхности, надвишава енергията, получена чрез намаляване на концентрацията на разтворено сребро.

• Критичен радиус: Когато клъстерът достигне определен размер (критичния радиус), процесът става енергийно благоприятен, стабилизирайки клъстера. Тази стабилност позволява на клъстера да действа като ядро за по-нататъшен растеж.
• Фаза на растеж: По време на растежа допълнителни сребърни атоми дифундират през разтвора и се прикрепят към нарастващата повърхност на наночастиците. Растежът продължава, докато концентрацията на разтворено сребро падне под прага на нуклеация, спирайки образуването на нови ядра.
• Дифузия и завършване: Останалото разтворено сребро се включва в съществуващите наночастици, завършвайки процеса.

Соникацията ускорява преноса на маса, особено процесите на овлажняване и дифузия, което води до по-бърза нуклеация и контролиран растеж. Чрез прецизно регулиране на параметрите на ултразвука, като интензивност и продължителност, размерът, скоростта на растеж и формата на наночастиците могат да бъдат фино настроени. Този прецизен контрол осигурява постоянни структури от наночастици, пригодени за специфични приложения.

Ултразвуковият синтез се откроява като ефективен, мащабируем и зелен химичен подход за производство на наносребро с добре дефинирани свойства, предлагащ значителни предимства за разнообразни приложения в научните изследвания и индустрията.

Кликнете тук, за да прочетете повече за друг зелен метод за ултразвуков синтез на наносребро с помощта на карагенан!

Соникацията улеснява бързия, зелен синтез на малки сребърни наночастици с тясно разпределение по размери.

Казус от ултразвуковия синтез на нано-сребро

Проучването, озаглавено “Синтез на сребърни наночастици на основата на мед и ултразвук и тяхната антибактериална активност” от Oskuee et al. (2016) изследва прост и екологичен метод за синтезиране на сребърни наночастици (Ag-NPs), използвайки естествен мед както като редуциращ, така и стабилизиращ агент. Процесът, който включва намаляване на сребърния нитрат (AgNO₃) при ултразвуково облъчване, се характеризира с различни параметри, включително концентрация на сребърни йони, концентрация на мед и време на ултразвук. Получените Ag-NP имат среден размер около 11,8 nm и проявяват антибактериални свойства срещу патогенни бактерии като Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa и E. coli.
Проучването подчертава ползите от използването на мед в синтеза на наночастици, подчертавайки неговата зелена, евтина и нетоксична природа. Авторите демонстрират, че размерът и добивът на Ag-NP могат да се контролират чрез коригиране на параметрите на реакцията като концентрация на сребро, съдържание на мед и продължителност на ултразвука. Доказано е, че синтезираните Ag-NP притежават ефективна антибактериална активност, особено срещу E. coli и S. aureus, с минимални инхибиторни концентрации (MIC) от приблизително 19,46 ppm. Този метод представлява потенциално приложение за Ag-NP в медицинските области, включително заздравяване на рани и контрол на инфекциите.

• Материали: сребърен нитрат (AgNO₃) като прекурсор на среброто; мед като затварящ / редуциращ агент; Вода
• Ултразвуково устройство: Сондов ултразвуков уред UP400St

Протокол за ултразвуков синтез

Установено е, че най-добрите условия за синтез на колоидни сребърни наночастици са следните: Редуциране на сребърния нитрат чрез ултразвук, медииран от естествен мед. Накратко, 20 ml разтвор на сребърен нитрат (0,3 M), съдържащ мед (20 тегловни %), са изложени на високоинтензивно ултразвуково облъчване при условия на околната среда в продължение на 30 минути. Ултразвукът е извършен с ултразвуков ултразвук тип сонда UP400S (400W, 24 kHz), потопен директно в реакционния разтвор.
Хранителният мед се използва като затварящ / стабилизиращ и редуциращ агент, което прави водния разтвор за нуклеация и утаените наночастици чисти и безопасни за разнообразни приложения.
С увеличаването на времето за ултразвук сребърните наночастици стават по-малки и концентрацията им се увеличава.
Във водния разтвор на мед ултразвукът е ключов фактор, който влияе върху образуването на сребърни наночастици. Параметри на сонация като амплитуда, време и непрекъснат спрямо пулсиращ ултразвук са основни фактори, които позволяват да се контролира размерът и количеството на сребърните наночастици.

Разпределение на частиците по размер на Ag-NP, синтезирани при оптимални условия; концентрации на сребро (0,3 M), концентрации на мед (20 тегловни %) и време на ултразвуково облъчване (30 мин)
източник на снимката: ©Oskuee et al. 2016

Резултат от ултразвуков синтез на сребърни наночастици

Ултразвуково насърчаваният, медииран от мед синтез със звуковия уред UP400St води до сферични сребърни наночастици (Ag-NPs) със среден размер на частиците около 11,8 nm. Ултразвуковият синтез на сребърните наночастици е прост и бърз метод с едно гърне. Използването на вода и мед като материали прави реакцията рентабилна и изключително екологична.
Представената техника на ултразвуков синтез с помощта на мед като редуциращ и затварящ агент може да бъде разширена и до други благородни метали, като злато, паладий и мед, което предлага различни допълнителни приложения от медицината до индустрията.

Разпределение на частиците по размер на Ag-NP, синтезирани при оптимални условия; концентрации на сребро (0,3 M), концентрации на мед (20 тегловни %) и време за ултразвуково облъчване (30 мин)
Проучване и снимка: ©Oskuee et al. 2016

Влияние върху нуклеацията и размера на частиците чрез сониране

Ултразвукът позволява производството на наночастици като сребърни наночастици, съобразени с изискванията. Три основни варианта на ултразвук имат важен ефект върху изхода:
Първоначална уникация: Краткото прилагане на ултразвукови вълни върху пренаситен разтвор може да инициира засяването и образуването на ядра. Тъй като ултразвукът се прилага само по време на началния етап, последващият растеж на кристалите протича безпрепятствено, което води до по-големи кристали.
Непрекъсната уника: Непрекъснатото облъчване на пренаситения разтвор води до малки кристали, тъй като непрекъснатият ултразвук създава много ядра, което води до растеж на много малки кристали.
Импулсна соникация: Импулсен ултразвук означава прилагането на ултразвук на определени интервали. Прецизно контролираното въвеждане на ултразвукова енергия позволява да се повлияе на растежа на кристала, за да се получи индивидуален размер на кристала.

Високоефективни ултразвукови апарати за синтез на наночастици

Hielscher Ultrasonics предлага мощни, надеждни ултразвукови процесори, предназначени за усъвършенствани сонохимични приложения, включително соносинтез и сонокатализа. Ултразвуковото смесване и диспергиране значително подобряват преноса на маса, насърчават овлажняването на атомните клъстери и улесняват последващото им нуклеиране, което води до ефективно утаяване на наночастици. Ултразвуковият синтез е признат за прост, рентабилен, биосъвместим, възпроизводим, бърз и безопасен метод за производство на висококачествени наноматериали. (Прочетете повече за сонохимичния синтез на перовскит и ZnO наноструктури!)

Ултразвуковите апарати на Hielscher са проектирани за прецизен контрол, осигуряващ оптимални условия за зародяване и растеж на наноматериали. Тези цифрови устройства разполагат с интелигентен софтуер, цветен сензорен дисплей и интуитивно меню за безопасна и лесна работа. Освен това те идват с автоматичен запис на данни на вградена SD карта, осигурявайки безпроблемно документиране на процеса.

С широка гама от системи - от компактни 50-ватови ръчни ултразвукови апарати за лабораторна употреба до здрави 16 000-ватови индустриални системи - Hielscher предоставя идеалното ултразвуково решение за всяко приложение. Проектирано за издръжливост, ултразвуковото оборудване на Hielscher е създадено да работи непрекъснато при тежки условия, дори в взискателни среди, осигурявайки надеждна работа 24/7.
Таблицата по-долу ви дава представа за приблизителния капацитет на обработка на нашите ултразвукови апарати:

Сравнение на конвенционални методи и методи за зелен синтез на синтез на наночастици.