Syntéza nano-stříbra s medem a ultrazvukem

Nano-stříbro se používá pro své antibakteriální vlastnosti k vyztužení materiálů v medicíně a materiálových vědách. Ultrazvuku umožňuje rychlou, účinnou, bezpečnou a ekologickou syntézu sférických nanočástic stříbra ve vodě. Ultrazvukovou syntézu nanočástic lze snadno škálovat od malé po velkou výrobu.

Ultrazvukem asistovaná syntéza koloidního nanostříbra

Sonochemická syntéza, která se týká chemických reakcí usnadněných ultrazvukovým ozařováním, je široce používanou metodou výroby nanočástic. Patří mezi ně stříbro, zlato, magnetit, hydroxyapatit, lék proti malárii, perovskit, latex a mnoho dalších nanomateriálů.

Ultrazvuková mokrá chemická syntéza

Pro výrobu nanočástic stříbra bylo vyvinuto několik ultrazvukem asistovaných syntetizačních cest. Jedna pozoruhodná metoda využívá med jako redukční i uzavírací činidlo. Složky v medu, jako je glukóza a fruktóza, působí synergicky v těchto rolích během procesu syntézy.
Podobně jako mnoho technik syntézy nanočástic spadá ultrazvuková syntéza nano-stříbra do kategorie mokré chemie. Proces začíná nukleací nanočástic stříbra v roztoku. Během sonikace se objeví prekurzor stříbra (např. Dusičnan stříbrný (AgNO₃), nebo chloristanu stříbrného (AgClO₄)) se redukuje v přítomnosti redukčního činidla, jako je med, za vzniku koloidního stříbra.

Mechanismus ultrazvukové nukleace a růstu stříbra

Počáteční fáze nukleace: Jak se koncentrace rozpuštěných iontů stříbra zvyšuje, kovové ionty stříbra se začnou vázat a vytvářet malé shluky. V této fázi jsou tyto klastry energeticky nestabilní kvůli negativní energetické bilanci. Energie potřebná k vytvoření nových povrchů převyšuje energii získanou snížením koncentrace rozpuštěného stříbra.

• Kritický poloměr: Když shluk dosáhne určité velikosti (kritického poloměru), proces se stává energeticky příznivým a stabilizuje shluk. Tato stabilita umožňuje klastru fungovat jako jádro pro další růst.
• Růstová fáze: Během růstu další atomy stříbra difundují roztokem a připojují se k rostoucímu povrchu nanočástic. Růst pokračuje, dokud koncentrace rozpuštěného stříbra neklesne pod práh nukleace, čímž se zastaví tvorba nových jader.
• Šíření a doplňování: Zbývající rozpuštěné stříbro je začleněno do stávajících nanočástic, čímž je proces dokončen.

Sonikace urychluje přenos hmoty, zejména procesy smáčení a difúze, což vede k rychlejší nukleaci a řízenému růstu. Přesným nastavením parametrů sonikace, jako je intenzita a doba trvání, lze jemně vyladit velikost, rychlost růstu a tvar nanočástic. Toto přesné řízení zajišťuje konzistentní struktury nanočástic přizpůsobené konkrétním aplikacím.

Ultrazvukem asistovaná syntéza vyniká jako efektivní, škálovatelný a zelený chemický přístup k výrobě nanostříbra s dobře definovanými vlastnostmi, který nabízí významné výhody pro různé aplikace ve výzkumu a průmyslu.

Klikněte zde a přečtěte si více o další zelené metodě ultrazvukové syntézy nanostříbra pomocí karagenanu!

Sonikace usnadňuje rychlou, zelenou syntézu malých nanočástic stříbra s úzkou distribucí velikosti.

Případová studie ultrazvukové syntézy nanostříbra

Studie s názvem “Medová a ultrazvukem asistovaná syntéza nanočástic stříbra a jejich antibakteriální aktivity” Oskuee et al. (2016) zkoumá jednoduchou a ekologickou metodu syntézy nanočástic stříbra (Ag-NP) s využitím přírodního medu jako redukčního i stabilizačního činidla. Proces, který zahrnuje redukci dusičnanu stříbrného (AgNO₃) pod ultrazvukovým ozářením, je charakterizován různými parametry včetně koncentrace iontů stříbra, koncentrace medu a doby sonikace. Výsledné Ag-NPs mají průměrnou velikost asi 11,8 nm a vykazují antibakteriální vlastnosti proti patogenním bakteriím, jako je Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa a E. coli.
Studie zdůrazňuje výhody použití medu při syntéze nanočástic a zdůrazňuje jeho ekologickou, levnou a netoxickou povahu. Autoři ukazují, že velikost a výtěžek Ag-NP lze řídit úpravou reakčních parametrů, jako je koncentrace stříbra, obsah medu a doba sonikace. Ukázalo se, že syntetizované Ag-NP mají účinnou antibakteriální aktivitu, zejména proti E. coli a S. aureus, s minimálními inhibičními koncentracemi (MIC) přibližně 19,46 ppm. Tato metoda představuje potenciální aplikaci Ag-NP v lékařských oborech, včetně hojení ran a kontroly infekcí.

• Materiály: dusičnan stříbrný (AgNO₃) jako prekurzor stříbra; med jako uzavírací / redukční činidlo; Voda
• Ultrazvukový přístroj: Sonikátor typu sondy UP400St

Protokol ultrazvukové syntézy

Bylo zjištěno, že nejlepší podmínky pro syntézu nanočástic koloidního stříbra jsou následující: Redukce dusičnanu stříbrného za ultrazvuku zprostředkované přírodním medem. Stručně řečeno, 20 ml roztoku dusičnanu stříbrného (0,3 M) obsahujícího med (20 hm%) bylo vystaveno vysoce intenzivnímu ultrazvukovému záření za okolních podmínek po dobu 30 minut. Ultrazvuku bylo prováděno pomocí ultrazvuku typu sondy UP400S (400W, 24 kHz) ponořeného přímo do reakčního roztoku.
Potravinářský med se používá jako uzavírací / stabilizační a redukční činidlo, díky kterému je vodný nukleační roztok a vysrážené nanočástice čisté a bezpečné pro různé aplikace.
Jak se prodlužuje doba ultrazvuku, nanočástice stříbra se zmenšují a jejich koncentrace se zvyšuje.
Ve vodném roztoku medu je ultrazvuku klíčovým faktorem, který ovlivňuje tvorbu nanočástic stříbra. Parametry sonikace, jako je amplituda, čas a kontinuální vs pulzující ultrazvuk, jsou hlavními faktory, které umožňují kontrolu velikosti a množství nanočástic stříbra.

Distribuce velikosti částic Ag-NP syntetizovaných za optimálních podmínek; koncentrace stříbra (0,3 M), koncentrace medu (20 hm%) a doby ultrazvukového ozařování (30 min)
zdroj obrázku: ©Oskuee et al. 2016

Výsledek ultrazvukové syntézy nanočástic stříbra

Ultrazvukem podporovaná, medem zprostředkovaná syntéza se sonikátorem UP400St vedla ke sférickým stříbrným nanočásticím (Ag-NP) s průměrnou velikostí částic asi 11,8 nm. Ultrazvuková syntéza nanočástic stříbra je jednoduchá a rychlá metoda v jedné nádobě. Díky použití vody a medu jako materiálů je reakce nákladově efektivní a výjimečně šetrná k životnímu prostředí.
Prezentovaná technika ultrazvukové syntézy s použitím medu jako redukčního a uzavíracího činidla může být rozšířena na další ušlechtilé kovy, jako je zlato, palladium a měď, což nabízí různé další aplikace od medicíny po průmysl.

Distribuce velikosti částic Ag-NPs syntetizovaných za optimálních podmínek; koncentrace stříbra (0,3 M), koncentrace medu (20 hm%) a doba ultrazvukového ozařování (30 min)
Studie a obrázek: ©Oskuee et al. 2016

Ovlivnění nukleace a velikosti částic sonikací

Ultrazvuk umožňuje výrobu nanočástic, jako jsou nanočástice stříbra, na míru požadavkům. Tři obecné možnosti sonikace mají důležitý vliv na výstup:
Počáteční sonikace: Krátká aplikace ultrazvukových vln do přesyceného roztoku může iniciovat výsev a tvorbu jader. Vzhledem k tomu, že sonikace je aplikována pouze během počáteční fáze, následný růst krystalů pokračuje nerušeně, což vede k větším krystalům.
Kontinuální sonikace: Nepřetržité ozařování přesyceného roztoku má za následek malé krystaly, protože nepozastavená ultrazvuku vytváří mnoho jader, což má za následek růst mnoha malých krystalů.
Pulzní sonikace: Pulzním ultrazvukem se rozumí aplikace ultrazvuku v určených intervalech. Přesně řízený vstup ultrazvukové energie umožňuje ovlivňovat růst krystalů tak, aby byla získána přizpůsobená velikost krystalu.

Vysoce výkonné ultrasonicators pro syntézu nanočástic

Hielscher Ultrasonics nabízí vysoce výkonné a spolehlivé ultrazvukové procesory určené pro pokročilé sonochemické aplikace, včetně sono-syntézy a sono-katalýzy. Ultrazvukové míchání a dispergace významně zvyšují přenos hmoty, podporují smáčení atomových klastrů a usnadňují jejich následnou nukleaci, což vede k účinnému srážení nanočástic. Ultrazvuková syntéza je uznávána jako jednoduchá, nákladově efektivní, biokompatibilní, reprodukovatelná, rychlá a bezpečná metoda pro výrobu vysoce kvalitních nanomateriálů. (Přečtěte si více o sonochemické syntéze perovskitu a Nanostruktury ZnO!)

Hielscher ultrasonicators jsou navrženy pro přesné řízení, což umožňuje optimální podmínky pro nukleaci a růst nanomateriálů. Tato digitální zařízení jsou vybavena inteligentním softwarem, barevným dotykovým displejem a intuitivním menu pro bezpečné a uživatelsky přívětivé ovládání. Navíc jsou vybaveny automatickým záznamem dat na vestavěnou SD kartu, což zajišťuje bezproblémovou dokumentaci procesu.

S komplexní řadou systémů - od kompaktních 50-wattových ručních ultrasonicators pro laboratorní použití až po robustní 16,000-wattové průmyslové systémy - Hielscher poskytuje ideální ultrazvukové řešení pro každou aplikaci. Ultrazvukové zařízení Hielscher, navržené pro odolnost, je konstruováno tak, aby nepřetržitě pracovalo v náročných podmínkách, a to i v náročných prostředích, a zajistilo spolehlivý výkon 24/7.
Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators:

Porovnání konvenčních metod a metod zelené syntézy nanočástic.