Синтез на наносребро с мед и ултразвук

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

Синтез на колоидно наносребро с помощта на ултразвук

Сонохимичният синтез, който представлява химични реакции, подпомагани от ултразвуково облъчване, е широко прилаган метод за получаване на наночастици. Те включват сребро, злато, магнетит, хидроксиапатит, перовскит, латекс и много други наноматериали.

Ултразвуков синтез по мокър химичен метод

За получаване на сребърни наночастици са разработени множество пътища за синтез с помощта на ултразвук. Един забележителен метод използва мед едновременно като редуциращ агент и агент за покриване на повърхността. Компоненти на 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 наносребро попада в категорията на мократа химия. Процесът започва със зародишообразуване на сребърни наночастици в разтвор. По време на ултразвуковата обработка прекурсор на среброто (напр. сребърен нитрат (AgNO₃) или сребърен перхлорат (AgClO₄)) се редуцира в присъствието на редуциращ агент, като мед, за да се получи колоидно сребро.

Механизъм на зародишообразуването и растежа на среброто под въздействието на ултразвук

Начална фаза на зародишообразуване: С увеличаването на концентрацията на разтворените сребърни йони йоните на металното сребро започват да се свързват и да образуват малки клъстери. На този етап тези клъстери са енергийно нестабилни поради отрицателен енергиен баланс. Енергията, необходима за създаването на нови повърхности, надвишава енергията, получена при намаляването на концентрацията на разтвореното сребро.

• Критичен радиус: Когато клъстерът достигне определен размер (критичния радиус), процесът става енергийно благоприятен и стабилизира клъстера. Тази стабилност позволява на клъстера да действа като зародиш за по-нататъшен растеж.
• Фаза на растеж: По време на растежа допълнителни сребърни атоми дифундират през разтвора и се прикрепват към повърхността на растящата наночастица. Растежът продължава, докато концентрацията на разтвореното сребро спадне под прага на зародишообразуване, което прекратява образуването на нови зародиши.
• Дифузия и завършване: Останалото разтворено сребро се включва в съществуващите наночастици, с което процесът завършва.

Ултразвуковата обработка ускорява масообмена, особено процесите на омокряне и дифузия, което води до по-бързо зародишообразуване и контролиран растеж. Чрез прецизно регулиране на параметрите на ултразвуковата обработка, като интензитет и продължителност, могат да се настройват фино размерът, скоростта на растеж и формата на наночастиците. Този прецизен контрол осигурява възпроизводими структури на наночастиците, съобразени с конкретни приложения.

Синтезът с помощта на ултразвук се откроява като ефективен, мащабируем подход на зелената химия за получаване на наносребро с ясно определени свойства, който предлага значителни предимства за разнообразни приложения в научните изследвания и промишлеността.

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

Ултразвуковата обработка улеснява бързия зелен синтез на малки сребърни наночастици с тясно разпределение по размер.

Примерно изследване на ултразвуков синтез на наносребро

Изследването, озаглавено „Синтез на сребърни наночастици на основата на мед и с помощта на ултразвук и тяхната антибактериална активност“, на Oskuee et al. (2016) разглежда прост и екологичен метод за синтез на сребърни наночастици (Ag-NPs), използващ натурален мед едновременно като редуциращ и стабилизиращ агент. Процесът, който включва редукция на сребърен нитрат (AgNO₃) под ултразвуково облъчване, се характеризира с различни параметри, включително концентрация на сребърните йони, концентрация на меда и време на ултразвукова обработка. Получените Ag-NPs имат среден размер около 11,8 nm и проявяват антибактериални свойства срещу патогенни бактерии като Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa и E. coli.
Изследването подчертава предимствата на използването на мед при синтеза на наночастици, като акцентира върху неговата екологичност, ниска цена и нетоксичност. Авторите демонстрират, че размерът и добивът на Ag-NPs могат да се контролират чрез регулиране на реакционни параметри като концентрация на среброто, съдържание на мед и продължителност на ултразвуковата обработка. Показано е, че синтезираните Ag-NPs притежават ефективна антибактериална активност, особено срещу E. coli и S. aureus, с минимални инхибиращи концентрации (MIC) приблизително 19,46 ppm. Този метод предлага потенциално приложение на Ag-NPs в медицински области, включително заздравяване на рани и контрол на инфекциите.

• Материали: сребърен нитрат (AgNO₃) като прекурсор на среброто; мед като агент за покриване на повърхността / редуциращ агент; вода
• Ултразвуково устройство: Ултразвуков апарат със сонда UP400St

Протокол за ултразвуков синтез

Установено е, че най-добрите условия за синтез на колоидни сребърни наночастици са следните: Редукция на сребърен нитрат при ултразвукова обработка с участието на натурален мед. Накратко, 20 ml разтвор на сребърен нитрат (0,3 M), съдържащ мед (20 wt%), е подложен на високоинтензивно ултразвуково облъчване при условия на околната среда за 30 min. Ултразвуковата обработка е извършена с ултразвуков апарат със сонда UP400S (400W, 24 kHz), потопена директно в реакционния разтвор.
Мед, подходящ за хранителни цели, се използва като агент за покриване на повърхността / стабилизиращ и редуциращ агент, което прави водния разтвор за зародишообразуване и утаените наночастици чисти и безопасни за многообразни приложения.
С увеличаване на времето на ултразвукова обработка сребърните наночастици стават по-малки, а концентрацията им се увеличава.
Във водния разтвор на мед ултразвуковата обработка е ключов фактор, който влияе върху образуването на сребърни наночастици. Параметрите на ултразвуковата обработка, като амплитуда, време и непрекъснат спрямо пулсиращ ултразвук, са основни фактори, които позволяват да се контролират размерът и количеството на сребърните наночастици.

Разпределение по размер на частиците Ag-NPs, синтезирани при оптимални условия; концентрации на среброто (0,3 M), концентрации на меда (20 wt%) и времена на ултразвуково облъчване (30 min)
източник на изображението: ©Oskuee et al. 2016

Резултат от ултразвуковия синтез на сребърни наночастици

Синтезът, подпомаган от ултразвук и осъществяван с участието на мед с ултразвуковия апарат UP400St, доведе до сферични сребърни наночастици (Ag-NPs) със среден размер на частиците около 11,8nm. Ултразвуковият синтез на сребърни наночастици е прост и бърз метод в един съд. Използването на вода и мед като материали прави реакцията икономически ефективна и изключително екологична.
Представената техника за ултразвуков синтез с използване на мед като редуциращ агент и агент за покриване на повърхността може да се приложи и към други благородни метали, като злато, паладий и мед, което предлага разнообразни допълнителни приложения от медицината до промишлеността.

Разпределение по размер на частиците Ag-NPs, синтезирани при оптимални условия; концентрации на среброто (0,3 M), концентрации на меда (20 wt%) и време на ултразвуково облъчване (30 min)
Изследване и изображение: ©Oskuee et al. 2016

Влияние върху зародишообразуването и размера на частиците чрез ултразвукова обработка

Ултразвукът позволява получаването на наночастици, като сребърни наночастици, съобразени с изискванията. Три основни варианта на ултразвукова обработка оказват важно влияние върху резултата:
Начална ултразвукова обработка: Краткото прилагане на ултразвукови вълни към преситен разтвор може да инициира зараждането и образуването на зародиши. Тъй като ултразвуковата обработка се прилага само през началния етап, последващият растеж на кристалите протича безпрепятствено, което води до по-големи кристали.
Непрекъсната ултразвукова обработка: Непрекъснатото облъчване на преситения разтвор води до малки кристали, тъй като ултразвуковата обработка без паузи създава много зародиши, което води до растеж на множество малки кристали.
Импулсна ултразвукова обработка: Импулсният ултразвук означава прилагане на ултразвук през определени интервали. Прецизно контролираното подаване на ултразвукова енергия позволява да се влияе върху растежа на кристалите, за да се получи размер на кристалите, съобразен с изискванията.

Високопроизводителни 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 масообмена, подпомагат омокрянето на атомните клъстери и улесняват последващото им зародишообразуване, което води до ефективно утаяване на наночастици. Ултразвуковият синтез е признат като прост, икономически ефективен, биосъвместим, възпроизводим, бърз и безопасен метод за получаване на висококачествени наноматериали. (Прочетете повече за сонохимичния синтез на перовскит и наноструктури на ZnO!)

Ултразвуковите апарати на Hielscher са проектирани за прецизен контрол, който осигурява оптимални условия за зародишообразуването и растежа на наноматериали. Тези цифрови устройства разполагат с интелигентен софтуер, цветен сензорен дисплей и интуитивно меню за безопасна и лесна работа. Освен това те се предлагат с автоматично записване на данни на вградена SD карта, което осигурява безпроблемно документиране на процеса.

С всеобхватна гама от системи – от компактни ръчни ултразвукови апарати с мощност 50 вата за лабораторна употреба до здрави промишлени системи с мощност 16 000 вата – Hielscher предоставя идеалното ултразвуково решение за всяко приложение. Проектирано за дълготрайност, ултразвуковото оборудване на Hielscher е създадено да работи непрекъснато при тежки условия на експлоатация, дори в среда с високи изисквания, като осигурява надеждна работа 24/7.
Таблицата по-долу дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови апарати:

Сравнение на конвенционалните методи и зелените методи за синтез на наночастици.