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, což jsou syntetické reakce při ultrazvukovém ozařování, jsou široce používány k výrobě nanočástic, jako je stříbro, zlato, magnetit, hydroxyapatit, lék proti malárii, perovskit, latex a mnoho dalších nanomateriálů.

Ultrazvuková mokrá chemická syntéza

Pro nanočástice stříbra je známo několik ultrazvukem asistovaných cest syntézy. Níže je uvedena cesta ultrazvukové syntézy s použitím medu jako redukčních činidel a činidel pro uzavírání ligandů. Medové složky, jako je glukóza a fruktóza, jsou zodpovědné za jeho roli jako uzavíracího i redukčního činidla v procesu syntézy.
Stejně jako většina běžných metod syntézy nanočástic spadá ultrazvuková syntéza nanostříbra také do kategorie mokré chemie. Ultrazvuku podporuje nukleaci nanočástic stříbra v roztoku. K ultrazvukem podporované nukleaci dochází, když prekurzor stříbra (komplex iontů stříbra), např. dusičnan stříbrný (AgNO₃) nebo chloristanu stříbrného (AgClO₄) se redukuje na koloidní stříbro v přítomnosti redukčního činidla, jako je med. Za podmínky, že se koncentrace iontů stříbra v roztoku dostatečně zvýší, se rozpuštěné kovové ionty stříbra spojí a vytvoří stabilní povrch. Když je shluk iontů stříbra ještě malý, jedná se o energeticky nepříznivý stav kvůli záporné energetické bilanci. K záporné energetické bilanci dochází proto, že energie získaná snížením koncentrace rozpuštěných částic stříbra je nižší než energie vynaložená na vytvoření nového povrchu.
Když shluk dosáhne kritického poloměru, což je bod, kdy se stává energeticky příznivým, je dostatečně stabilní na to, aby mohl pokračovat v růstu. Během růstové fáze více atomů stříbra difunduje roztokem a připojí se k povrchu. Když koncentrace rozpuštěného atomového stříbra klesne do určitého bodu, je dosaženo nukleačního prahu, takže atomy se nemohou déle vázat, aby vytvořily stabilní jádro. Na tomto nukleačním prahu se růst nových nanočástic zastaví a zbývající rozpuštěné stříbro je absorbováno difúzí do rostoucích nanočástic v roztoku.
Sonikace podporuje přenos hmoty, tj. smáčení klastrů, což má za následek rychlejší nukleaci. Přesně řízenou sonikací lze určit rychlost růstu, velikost a tvar struktur nanočástic.
Klikněte zde a přečtěte si více o další zelené metodě ultrazvukové syntézy nanostříbra pomocí karagenanu!

Porovnání konvenčních metod a metod zelené syntézy nanočástic.

Případová studie ultrazvukové syntézy nanostříbra

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

Protokol ultrazvukové syntézy

Bylo zjištěno, že nejlepší podmínky pro syntézu koloidních nanočástic stříbra jsou následující: Snížení dusičnanu stříbrného pod ultrazvukem zprostředkované přírodním medem. Stručně řečeno, 20 ml roztoku dusičnanu stříbrného (0,3 M) s obsahem medu (20 hm%) bylo vystaveno vysoce intenzivnímu ultrazvukovému záření za okolních podmínek po dobu 30 minut. Ultrazvuku byla provedena pomocí ultrazvuku typu sondy UP400S (400 W, 24 kHz) ponořen přímo do reakčního roztoku.

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

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.

Výsledek ultrazvukové syntézy nanočástic stříbra

Ultrazvukem podporovaná, medem zprostředkovaná syntéza s UP400St výsledkem jsou sférické nanočástice stříbra (Ag-NPs) 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.

TEM obraz (A) a jeho distribuce velikosti částic (B) Ag-NPs syntetizovány za optimálních podmínek.

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 ultrazvukové přístroje pro syntézu

Hielscher Ultrasonics dodává výkonné a spolehlivé ultrazvukové procesory pro sonochemické aplikace, včetně sono-syntézy a sono-katalýzy. Ultrazvukové míchání a dispergace zvyšuje přenos hmoty a podporuje smáčení a následnou nukleaci atomových klastrů za účelem vysrážení nanočástic. Ultrazvuková syntéza nanočástic je jednoduchá, nákladově efektivní, biokompatibilní, reprodukovatelná, rychlá a bezpečná metoda.
Hielscher Ultrasonics dodává výkonné a přesně ovladatelné ultrazvukové procesory pro nukleaci a srážení nanomateriálů. Všechna digitální zařízení jsou vybavena inteligentním softwarem, barevným dotykovým displejem, automatickým záznamem dat na vestavěnou SD kartu a intuitivním menu pro uživatelsky přívětivé a bezpečné ovládání.
Pokrývající kompletní rozsah výkonu od 50 wattů ručních ultrasonicators pro laboratoř až po 16 000 wattů výkonné průmyslové ultrazvukové systémy, Hielscher má ideální ultrazvukové nastavení pro vaši aplikaci. Robustnost ultrazvukového zařízení Hielscher umožňuje provoz 24 hodin denně, 7 dní v týdnu v náročném provozu a v náročných prostředích.
Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators: