Sinteza nanosrebra pomoću meda i ultrazvuka

Nanosrebro se koristi zbog svojih antibakterijskih svojstava za ojačavanje materijala u medicini i znanosti o materijalima. Ultrazvučna obrada omogućava brzu, efikasnu, sigurnu i ekološki prihvatljivu sintezu sfernih nanočestica srebra u vodi. Ultrazvučna sinteza nanočestica može se lako povećati s male na veliku proizvodnju.

Ultrazvučno potpotpotpomognuta sinteza koloidnog nanosrebra

Sonokemijska sinteza, koja se odnosi na kemijske reakcije potpomognute ultrazvučnim zračenjem, široko je primjenjivana metoda za proizvodnju nanočestica. One uključuju srebro, zlato, magnetit, hidroksiapatit, perovskit, lateks i mnoge druge nanomaterijale.

Ultrazvučna mokra kemijska sinteza

Razvijeno je više ultrazvučno potpomognutih sintetskih puteva za proizvodnju nanočestica srebra. Jedna zapažena metoda koristi med i kao redukcijsko sredstvo i kao sredstvo za stabilizaciju površine (capping). Sastojci meda, poput glukoze i fruktoze, djeluju sinergijski u tim ulogama tokom procesa sinteze.
Slično mnogim tehnikama sinteze nanočestica, ultrazvučna sinteza nanosrebra spada u mokru kemiju. Proces počinje nukleacijom nanočestica srebra unutar otopine. Tokom ultrazvučne obrade, prekursor srebra (npr. srebrov nitrat (AgNO₃), ili srebrov perhlorat (AgClO₄)) reducira se u prisutnosti redukcijskog sredstva, poput meda, pri čemu nastaje koloidno srebro.

Mehanizam ultrazvučne nukleacije i rasta srebra

Početna faza nukleacije: Kako se koncentracija otopljenih iona srebra povećava, metalni ioni srebra počinju se vezati i formirati male klastere. U ovoj fazi ti su klasteri energetski nestabilni zbog negativnog energetskog bilansa. Energija potrebna za stvaranje novih površina premašuje energiju dobijenu smanjenjem koncentracije otopljenog srebra.

• Kritični radijus: Kada klaster dostigne određenu veličinu (kritični radijus), proces postaje energetski povoljan, što stabilizira klaster. Ta stabilnost omogućava klasteru da djeluje kao jezgro za daljnji rast.
• Faza rasta: Tokom rasta, dodatni atomi srebra difundiraju kroz otopinu i vezuju se na površinu nanočestice koja raste. Rast se nastavlja sve dok koncentracija otopljenog srebra ne padne ispod praga nukleacije, čime se zaustavlja stvaranje novih jezgara.
• Difuzija i završetak: Preostalo otopljeno srebro ugrađuje se u postojeće nanočestice, čime se proces završava.

Ultrazvučna obrada ubrzava prijenos mase, osobito procese kvašenja i difuzije, što dovodi do brže nukleacije i kontroliranog rasta. Preciznim podešavanjem parametara ultrazvučne obrade, poput intenziteta i trajanja, veličina, brzina rasta i oblik nanočestica mogu se fino podesiti. Ova precizna kontrola osigurava dosljedne strukture nanočestica prilagođene specifičnim primjenama.

Ultrazvučno potpomognuta sinteza ističe se kao djelotvoran, skalabilan pristup zelene kemije za proizvodnju nanosrebra s dobro definiranim svojstvima, koji nudi značajne prednosti za raznolike primjene u istraživanju i industriji.

Kliknite ovdje da biste pročitali više o još jednoj zelenoj metodi ultrazvučne sinteze nanosrebra pomoću karagenana!

Ultrazvučna obrada omogućava brzu, zelenu sintezu malih nanočestica srebra uske raspodjele veličina.

Studija slučaja ultrazvučne sinteze nanosrebra

Studija pod naslovom „Honey-Based and Ultrasonic-Assisted Synthesis of Silver Nanoparticles and Their Antibacterial Activities“ autora Oskuee i sur. (2016) istražuje jednostavnu i ekološki prihvatljivu metodu sinteze nanočestica srebra (Ag-NPs) koristeći prirodni med i kao redukcijsko sredstvo i kao stabilizator. Proces, koji uključuje redukciju srebrovog nitrata (AgNO₃) pod ultrazvučnim zračenjem, karakteriziraju različiti parametri, uključujući koncentraciju iona srebra, koncentraciju meda i vrijeme ultrazvučne obrade. Dobivene Ag-NPs imaju prosječnu veličinu od oko 11,8 nm i pokazuju antibakterijska svojstva protiv patogenih bakterija poput Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa i E. coli.
Studija ističe prednosti korištenja meda u sintezi nanočestica, naglašavajući njegovu zelenu, jeftinu i neotrovnu prirodu. Autori pokazuju da se veličina i prinos Ag-NPs mogu kontrolirati podešavanjem parametara reakcije, kao što su koncentracija srebra, sadržaj meda i trajanje ultrazvučne obrade. Pokazalo se da sintetizirane Ag-NPs posjeduju djelotvorno antibakterijsko djelovanje, osobito protiv E. coli i S. aureus, s minimalnim inhibitornim koncentracijama (MIC) od približno 19,46 ppm. Ova metoda predstavlja potencijalnu primjenu Ag-NPs u medicinskim područjima, uključujući cijeljenje rana i kontrolu infekcija.

• Materijali: srebrov nitrat (AgNO₃) kao prekursor srebra; med kao sredstvo za stabilizaciju površine (capping) / redukcijsko sredstvo; voda
• Ultrazvučni uređaj: Ultrazvučni uređaj sa sondom UP400St

Protokol ultrazvučne sinteze

Utvrđeno je da su najbolji uvjeti za sintezu koloidnih nanočestica srebra sljedeći: redukcija srebrovog nitrata pod ultrazvučnom obradom posredovanom prirodnim medom. Ukratko, 20 ml otopine srebrovog nitrata (0,3 M) koja sadrži med (20 wt%) izloženo je ultrazvučnom zračenju visokog intenziteta u ambijentalnim uvjetima tokom 30 min. Ultrazvučna obrada provedena je ultrazvučnim uređajem sa sondom UP400S (400W, 24 kHz) uronjenim direktno u reakcijsku otopinu.
Med prehrambene kvalitete koristi se kao sredstvo za stabilizaciju površine (capping) / stabilizator i redukcijsko sredstvo, zbog čega su vodena otopina za nukleaciju i istaložene nanočestice čiste i sigurne za raznolike primjene.
Kako se vrijeme ultrazvučne obrade produžava, nanočestice srebra postaju manje, a njihova koncentracija raste.
U vodenoj otopini meda ultrazvučna obrada ključni je faktor koji utječe na stvaranje nanočestica srebra. Parametri ultrazvučne obrade, poput amplitude, vremena i kontinuiranog naspram pulsirajućeg ultrazvuka, glavni su faktori koji omogućavaju kontrolu veličine i količine nanočestica srebra.

Raspodjela veličina čestica Ag-NPs sintetiziranih u optimalnim uvjetima; koncentracije srebra (0,3 M), koncentracije meda (20 wt%) i vremena ultrazvučnog zračenja (30 min)
izvor slike: ©Oskuee et al. 2016

Rezultat ultrazvučne sinteze nanočestica srebra

Ultrazvučno potaknuta sinteza posredovana medom pomoću ultrazvučnog uređaja UP400St rezultirala je sfernim nanočesticama srebra (Ag-NPs) prosječne veličine čestica od oko 11,8nm. Ultrazvučna sinteza nanočestica srebra jednostavna je i brza metoda u jednoj posudi (one-pot). Korištenje vode i meda kao materijala čini reakciju isplativom i iznimno ekološki prihvatljivom.
Predstavljena tehnika ultrazvučne sinteze koja koristi med kao redukcijsko sredstvo i sredstvo za stabilizaciju površine (capping) može se proširiti na druge plemenite metale, poput zlata, paladija i bakra, što nudi različite dodatne primjene od medicine do industrije.

Raspodjela veličina čestica Ag-NPs sintetiziranih u optimalnim uvjetima; koncentracije srebra (0,3 M), koncentracije meda (20 wt%) i vrijeme ultrazvučnog zračenja (30 min)
Studija i slika: ©Oskuee et al. 2016

Utjecaj ultrazvučne obrade na nukleaciju i veličinu čestica

Ultrazvuk omogućava proizvodnju nanočestica, poput nanočestica srebra, prilagođenih zahtjevima. Tri opća načina ultrazvučne obrade imaju važan utjecaj na rezultat:
Početna ultrazvučna obrada: Kratka primjena ultrazvučnih valova na prezasićenu otopinu može pokrenuti zasijavanje i stvaranje jezgara. Budući da se ultrazvučna obrada primjenjuje samo u početnoj fazi, naknadni rast kristala odvija se nesmetano, što rezultira većim kristalima.
Kontinuirana ultrazvučna obrada: Kontinuirano zračenje prezasićene otopine rezultira malim kristalima jer ultrazvučna obrada bez pauza stvara mnogo jezgara, što dovodi do rasta mnogo malih kristala.
Pulsna ultrazvučna obrada: Pulsni ultrazvuk znači primjenu ultrazvuka u određenim intervalima. Precizno kontroliran unos ultrazvučne energije omogućava utjecaj na rast kristala radi dobijanja prilagođene veličine kristala.

Visokoučinkoviti ultrazvučni uređaji za sintezu nanočestica

Hielscher Ultrasonics nudi snažne, pouzdane ultrazvučne procesore dizajnirane za napredne sonokemijske primjene, uključujući sonosintezu i sonokatalizu. Ultrazvučno miješanje i dispergiranje značajno poboljšavaju prijenos mase, potiču kvašenje klastera atoma i olakšavaju njihovu naknadnu nukleaciju, što dovodi do efikasnog taloženja nanočestica. Ultrazvučna sinteza prepoznata je kao jednostavna, isplativa, biokompatibilna, ponovljiva, brza i sigurna metoda za proizvodnju visokokvalitetnih nanomaterijala. (Pročitajte više o sonokemijskoj sintezi perovskita i nanostruktura ZnO!)

Hielscher ultrazvučni uređaji konstruirani su za preciznu kontrolu, omogućavajući optimalne uvjete za nukleaciju i rast nanomaterijala. Ovi digitalni uređaji imaju inteligentan softver, ekran osjetljiv na dodir u boji i intuitivan meni za siguran i jednostavan rad. Osim toga, isporučuju se s automatskim bilježenjem podataka na ugrađenu SD karticu, što osigurava besprijekornu dokumentaciju procesa.

Sa sveobuhvatnim rasponom sistema – od kompaktnih ručnih ultrazvučnih uređaja od 50 vati za laboratorijsku upotrebu do robusnih industrijskih sistema od 16.000 vati – Hielscher pruža idealno ultrazvučno rješenje za svaku primjenu. Hielscher ultrazvučna oprema konstruirana je za trajnost i izrađena za neprekidan rad u teškim uvjetima, čak i u zahtjevnim okruženjima, osiguravajući pouzdane performanse 24/7.
Tabela u nastavku daje vam orijentaciju o približnom kapacitetu obrade naših ultrazvučnih uređaja:

Usporedba konvencionalnih metoda i metoda zelene sinteze nanočestica.