Sinteza magnetnih nanočestica: od laboratorija do proizvodnje

Magnetne nanočestice (MNP) ključna su komponenta u raznim naučnim i industrijskim primjenama, uključujući biomedicinsko snimanje, ciljanu isporuku lijekova, katalizu i sanaciju okoliša. Precizna kontrola svojstava magnetnih nanočestica, kao što su veličina, oblik, magnetno ponašanje i funkcionalnost površine, ključna je za ispunjavanje specifičnih zahtjeva ovih primjena. Ultrazvučna sinteza, koju omogućavaju Hielscher sonikatori sondnog tipa, nudi svestranu i skalabilnu metodu za proizvodnju visokokvalitetnih magnetnih nanočestica.

Ultrazvučna obrada (sonikacija) u sintezi nanočestica

Ultrazvučna obrada koristi ultrazvučne valove visokog intenziteta za stvaranje lokalizovanih zona visoke energije u tekućem mediju putem akustične kavitacije. Ovaj fenomen proizvodi intenzivne smične sile, visoke pritiske i povišene temperature, čime se stvara okruženje pogodno za kontrolisanu nukleaciju i rast nanočestica. Prednosti ultrazvučne obrade uključuju ujednačeno miješanje, pojačan prijenos mase, mogućnost utjecaja na kinetiku reakcije i funkcionalizacije čestica, zbog čega je posebno učinkovita za sintezu ujednačenih magnetnih nanočestica.

Hielscher UIP16000 je sonikator velike snage od 16kW za proizvodnju magnetnih nanočestica. Sonohemijska sinteza nanočestica poznata je po ujednačenoj veličini čestica i učinkovitoj funkcionalizaciji.

Industrijski ultrazvučni procesor UIP16000hdT (16kW) za sintezu magnetnih nanočestica u velikom obimu.

Sinteza magnetnih nanočestica: od laboratorija do proizvodnje velikih razmjera

Sinteza magnetnih nanočestica u laboratorijskom obimu

U laboratorijskim uvjetima Hielscher sonikatori sondnog tipa obično se koriste za sintezu magnetnih nanočestica koprecipitacijom, termičkom razgradnjom ili solvotermalnim metodama. Kontrolisanjem ultrazvučnih parametara, kao što su amplituda, trajanje ultrazvučne obrade, pulsni način rada i temperatura, istraživači mogu postići ujednačene veličine čestica i uske raspodjele veličina.
Na primjer, metoda koprecipitacije ima znatnu korist od ultrazvučne kavitacije, koja pojačava miješanje prekursora željeza(II) i željeza(III) s alkalnim otopinama, što rezultira homogeno nukleiranim nanočesticama magnetita (Fe₃O₄). Osim toga, ultrazvučna obrada skraćuje vrijeme reakcije i poboljšava magnetna i strukturna svojstva nanočestica.
Saznajte više o ultrazvučnoj sintezi magnetita!

Pilot-proizvodnja i proizvodnja industrijskog obima

Skalabilnost Hielscher sonikatora ključna je prednost pri prelasku s laboratorijskih istraživanja na proizvodnju industrijskog obima. U sistemima pilot-obima veće ultrazvučne sonde (sonotrode) i protočni reaktori omogućavaju kontinuiranu proizvodnju magnetnih nanočestica konzistentnog kvaliteta. Mogućnost rada pod visokim pritiskom i kontrole procesnih parametara osigurava ponovljivost i skalabilnost.
Za industrijsku proizvodnju Hielscher ultrazvučni reaktori mogu obrađivati velike količine otopina prekursora uz održavanje željenih karakteristika čestica. Ova skalabilnost je ključna za primjene koje zahtijevaju velike količine magnetnih nanočestica, kao što su tehnologije magnetne separacije ili sistemi za isporuku lijekova.

U ovom videu prikazujemo ultrazvučni sistem od 2 kilovata za protočni rad, smješten u ormar s mogućnošću propuhivanja. Hielscher isporučuje ultrazvučnu opremu za gotovo sve industrije, uključujući hemijsku, farmaceutsku i kozmetičku industriju, petrohemijske procese te procese ekstrakcije rastvaračima. Ovaj ormar od nehrđajućeg čelika s mogućnošću propuhivanja predviđen je za rad u opasnim zonama. U tu svrhu korisnik može propuhivati zabrtvljeni ormar azotom ili svježim zrakom kako bi spriječio ulazak zapaljivih plinova ili para u ormar.

Studija slučaja: ultrazvučna sinteza magnetnih nanočestica

Ilosvai et al. (2020) kombinovali su sonohemiju sa sagorijevanjem kako bi sintetizirali magnetne nanočestice koristeći prekursore željezo(II)-acetat i željezo(III)-citrat, dispergirane u polietilen-glikolu (PEG 400) uz ultrazvučnu homogenizaciju. Ove nanočestice testirane su za separaciju DNK, koristeći plazmidnu DNK iz bakterije E. coli. Tehnike karakterizacije otkrile su dobro dispergirane nanočestice s hidroksilno funkcionaliziranom površinom, identificiranom pomoću FTIR-a, te magnetne faze magnetita, maghemita i hematita, potvrđene pomoću XRD-a. Nanočestice su pokazale dobru dispergibilnost u vodi, što su ukazala mjerenja elektrokinetičkog potencijala, zbog čega su pogodne za primjene u bioseparaciji.

Protokol ultrazvučne sinteze magnetnih nanočestica

Magnetne nanočestice sintetizirane su sonohemijskom metodom sagorijevanja s dva različita prekursora: željezo(II) acetat (uzorak A1) i željezo(III) citrat (uzorak D1). Oba uzorka slijedila su isti postupak, a razlikovala su se samo po upotrijebljenom prekursoru. Za uzorak A1 dispergirano je 2 g željezo(II) acetata u 20 g polietilen-glikola (PEG 400), dok je za uzorak D1 korišteno 3,47 g željezo(III) citrata. Disperzija je postignuta pomoću Hielscher visokoučinkovitog sonikatora UIP1000hdT (vidi sliku lijevo).
Nakon sonohemijske obrade PEG je sagorijevan Bunsenovim plamenikom radi dobivanja magnetnih nanočestica željeznog oksida.

Rezultati

Dobivene nanočestice karakterizirane su metodama XRD, TEM, DLS i FTIR. Sinteza je uspješno kombinovala sonohemijske tehnike i tehnike sagorijevanja, dajući magnetne nanočestice. Posebno je uzorak A1 bio pogodan za pročišćavanje DNK i predstavljao je isplativiju alternativu postojećim komercijalnim opcijama.

Ultrazvučna obrada potiče sintezu magnetnih nanočestica. UIP1000hdt je visokoučinkovit sonikator za sonohemijsku sintezu nanočestica.

TEM ultrazvučno sintetiziranih magnetnih nanočestica: Lijevo: željezo(II) acetat (uzorak A1); desno: željezo(III) citrat (uzorak D1).
Studija i slika: ©Ilosvai et al. 2020.

Ultrazvučni uređaj sondnog tipa UP400St za dispergiranje nanočestica, kao što su grafenske nanoplatelete, u stabilnoj vodenoj suspenziji.

Ultrazvučni uređaj UP400St za sonohemijsku sintezu magnetnih nanočestica

Hielscher sonikatori: tehnološka prednost u sintezi nanočestica

Hielscher Ultrasonics predvodnik je u tehnologiji ultrazvučne obrade i nudi sonikatore sondnog tipa snage do 16.000 vati po sonikatoru, namijenjene primjenama od eksperimenata laboratorijskog obima do industrijske proizvodnje. Ovi uređaji pružaju ultrazvučnu snagu visokog intenziteta, preciznu kontrolu amplitude i praćenje temperature, zbog čega su idealni za osjetljive procese kao što je sinteza magnetnih nanočestica.

Ključne karakteristike Hielscher sonikatora uključuju:

Precizno podesiva amplituda: Omogućava fino podešavanje intenziteta kavitacije za optimalnu sintezu nanočestica.
Skalabilnost: Modularni dizajni omogućavaju besprijekoran prelazak s istraživanja i razvoja malog obima na proizvodnju velikog obima.
Integrisana kontrola temperature: Sprječava pregrijavanje i osigurava stabilne uvjete reakcije.
Izdržljivost i svestranost: Pogodno za razne rastvarače i prekursorske sisteme, uključujući vodene i organske faze.

Prednosti upotrebe Hielscher sonikatora sondnog tipa

Preciznost i ponovljivost: Dosljedni rezultati kroz šarže osiguravaju pouzdanost svojstava magnetnih nanočestica.
Energetska učinkovitost: Učinkovit prijenos energije smanjuje gubitke i snižava troškove proizvodnje.
Prilagodljive konfiguracije: Fleksibilni dizajni podržavaju niz razmjera reakcija i hemija.
Ekološka prihvatljivost: Manja zavisnost od agresivnih hemikalija i kraća vremena reakcije smanjuju ekološki otisak.

Dizajn, proizvodnja i konsalting – kvalitet Made in Germany

Hielscher ultrazvučni uređaji poznati su po najvišem kvalitetu i standardima dizajna. Robusnost i jednostavno rukovanje omogućavaju besprijekornu integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijske pogone. Hielscher ultrazvučni uređaji lako podnose grube uvjete i zahtjevna okruženja.

Hielscher Ultrasonics je ISO certificirana kompanija i poseban naglasak stavlja na visokoučinkovite ultrazvučne uređaje najsavremenije tehnologije i jednostavne za korištenje. Naravno, Hielscher ultrazvučni uređaji u skladu su s CE oznakom i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.

Tabela u nastavku daje vam orijentaciju o približnom kapacitetu obrade naših ultrazvučnih uređaja:

Volumen šarže	Protok	Preporučeni uređaji
0,5 do 1,5mL	n.a.	VialTweeter
1 do 500mL	10 do 200mL/min	UP100H
10 do 2000mL	20 do 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 do 20L	0,2 do 4L/min	UIP2000hdT
10 do 100L	2 do 10L/min	UIP4000hdT
15 do 150L	3 do 15L/min	UIP6000hdT
n.a.	10 do 100L/min	UIP16000
n.a.	veći	klaster od UIP16000

Ultrazvučni homogenizatori visokih smičnih sila koriste se u laboratorijskoj, stolnoj, pilot i industrijskoj obradi.

Hielscher Ultrasonics proizvodi visokoučinkovite ultrazvučne homogenizatore za primjene miješanja, dispergiranja, emulgiranja i ekstrakcije u laboratorijskom, pilot i industrijskom obimu.

Povezane teme

Primjene ultrazvučno sintetiziranih magnetnih nanočestica

Vrhunski kvalitet magnetnih nanočestica sintetiziranih pomoću Hielscher sonikatora proširuje njihovu primjenjivost u visokoučinkovitim primjenama:

Biomedicina: Precizno oblikovane magnetne nanočestice poboljšavaju kontrast magnetne rezonance (MRI) i omogućavaju ciljanu isporuku lijekova.
Kataliza: Magnetne nanočestice velike specifične površine služe kao učinkoviti katalizatori u hemijskim reakcijama.
Nauka o okolišu: Funkcionalizirane magnetne nanočestice koriste se za obradu voda i uklanjanje zagađivača.

Literatura / Reference

Ilosvai, Á.M.; Szőri-Dorogházi, E.; Prebob, A.; Vanyorek, L. (2020): Synthesis And Characterization Of Magnetic Nanoparticles For Biological Separation Methods. Materials Science and Engineering, Volume 45, No. 1; 2020. 163–170.
Kis-Csitári, J.; Kónya, Zoltán; Kiricsi, I. (2008): Sonochemical Synthesis of Inorganic Nanoparticles. In book: Functionalized Nanoscale Materials, Devices and Systems, 2008.
Ilosvai, A.M.; Dojcsak, D.; Váradi, C.; Nagy, M.; Kristály, F.; Fiser, B.; Viskolcz, B.; Vanyorek, L. (2022): Sonochemical Combined Synthesis of Nickel Ferrite and Cobalt Ferrite Magnetic Nanoparticles and Their Application in Glycan Analysis. International Journal of Molecular Sciiences. 2022, 23, 5081.
L. Cabrera, S. Gutiérrez, P. Herrasti, D. Reyman (2010): Sonoelectrochemical synthesis of magnetite. Physics Procedia Volume 3, Issue 1, 2010. 89-94.

Često postavljana pitanja

Šta su magnetne nanočestice?

Magnetne nanočestice su čestice čija se veličina obično kreće u nanorazmjeru od 1–100 nm i sastoje se od magnetnih materijala kao što su željezo, kobalt, nikal ili njihovi oksidi (npr. magnetit ili maghemit). Ove čestice pokazuju magnetna svojstva, kojima se može upravljati vanjskim magnetnim poljima. Ovisno o veličini, strukturi i sastavu, magnetne nanočestice mogu pokazivati različita magnetna ponašanja, kao što su feromagnetizam, ferimagnetizam ili superparamagnetizam.
Zahvaljujući maloj veličini i magnetnoj podesivosti, koriste se u širokom spektru primjena, uključujući
biomedicinske, okolišne i industrijske primjene.

Šta su supraparamagnetne nanočestice?

Superparamagnetne nanočestice su čestice nanorazmjera (obično manje od 50 nm) izrađene od magnetnih materijala kao što je željezni oksid (npr. magnetit ili maghemit). Magnetno ponašanje pokazuju samo u prisustvu vanjskog magnetnog polja i gube magnetizam kada se polje ukloni. Do toga dolazi jer toplotna energija pri ovako maloj veličini sprječava čestice da zadrže trajni magnetni moment, čime se izbjegava agregacija.
Zahvaljujući tim svojstvima vrlo su korisne u biomedicinskim primjenama kao što su ciljana isporuka lijekova, magnetna rezonanca (MRI) i hipertermijska terapija, kao i u okolišnim i industrijskim primjenama.

Koja je razlika između feromagnetizma, ferimagnetizma i superparamagnetizma?

Feromagnetizam nastaje kada se magnetni momenti u materijalu poravnaju paralelno jedan s drugim zbog jakih izmjenskih interakcija, što rezultira velikom ukupnom magnetizacijom čak i u odsustvu vanjskog magnetnog polja.
Ferimagnetizam također uključuje uređene magnetne momente, ali se oni poravnavaju u suprotnim smjerovima s nejednakim iznosima, što dovodi do ukupne magnetizacije.
Superparamagnetizam se opaža kod vrlo malih nanočestica i javlja se kada toplotna energija nadvlada magnetno uređenje, zbog čega magnetni momenti nasumično fluktuiraju; međutim, pod vanjskim magnetnim poljem momenti se poravnavaju, stvarajući snažan magnetni odziv.

Koje se nanočestice često sintetiziraju sonohemijski?

Sonohemijska sinteza široko se koristi za proizvodnju raznih nanočestica zbog svoje sposobnosti da putem akustične kavitacije generiše lokalizovane visoke temperature, pritiske i reaktivne vrste. Među često sintetiziranim nanočesticama su metalne nanočestice, nanočestice metalnih oksida, halkogenidne nanočestice, perovskitne nanočestice, polimerne nanočestice i nanomaterijali na bazi ugljika.

Više informacija o ultrazvučnoj sintezi i protokole za nekoliko odabranih nanočestica i nanostruktura pronađite ovdje:

Visokoučinkovita ultrazvučna tehnologija! Hielscher asortiman pokriva cijeli spektar od kompaktnih laboratorijskih ultrazvučnih uređaja preko stolnih jedinica do potpuno industrijskih ultrazvučnih sistema.

Hielscher Ultrasonics proizvodi visokoučinkovite ultrazvučne homogenizatore od laboratorijskog do industrijskog obima.