Ultrazvuková syntéza nanovloček SnOx

Dvourozměrné (2D) nanomateriály nadále přitahují značný zájem v materiálové vědě díky svému velkému povrchu, laditelným elektronickým vlastnostem a jedinečným interakcím se světlem a hmotou. Mezi nimi jsou zvláště zajímavé systémy na bázi oxidů cínu (obvykle SnO₂ nebo smíšené fáze SnO/SnO₂), a to díky své polovodivé povaze, chemické stabilitě a kompatibilitě se zpracováním ve vodném prostředí. Při sonochemické syntéze umožňuje sonikace výrobu nanoskopických vloček oxidu cínu (nanovloček SnOx) metodou shora dolů (top-down) s vynikajícími strukturními / morfologickými vlastnostmi – díky čemuž jsou vhodné pro pokročilé aplikace, jako je fototermální terapie (PTT).

Mechanismus a zdůvodnění ultrazvukové exfoliace při výrobě nanovloček

Ultrazvukové zpracování (vysoce intenzivní sonikace) je dobře zavedenou a vysoce účinnou technikou syntézy nanomateriálů. Ústředním fyzikálním jevem je akustická kavitace – tj. cykly vzniku, růstu a kolapsu bublin v kapalném médiu –, která vytváří lokálně extrémní podmínky (teploty ~5 000 K, tlaky ~1 000 bar a vysoké rychlosti ochlazování/ohřevu), jež podporují fragmentaci, exfoliaci a chemickou přeměnu pevných prekurzorů.

U vrstevnatých nebo částečně vrstevnatých sloučenin cínu (např. SnS₂, SnO, SnO₂) ultrazvuková sonikace usnadňuje:

• delaminaci nebo exfoliaci vrstevnatých struktur na tenké vločky;
• mechanickou fragmentaci zmenšující laterální rozměr;
• zlepšený přenos hmoty a reaktivitu ve vodných médiích, s možným vznikem defektních struktur nebo fázových přeměn;
• lepší dispergaci nanoskopických plátků v roztoku pro další zpracování.

Například monokrystalické nanoplátky SnO byly připraveny ultrazvukovou syntézou ve vodném prostředí za přítomnosti PVP (polyvinylpyrrolidonu), který napomáhá exfoliaci a brání růstu mikrokrystalů. Obecněji byl ultrazvuk využit k přípravě porézního SnO₂ s vysokým měrným povrchem sonochemickými postupy.
Pokud je tedy cílem vyrábět nanovločky oxidu cínu (SnOx) metodami shora dolů, je sonikace logickou volbou – zejména v kombinaci s vodnými médii, mírnou chemickou úpravou nebo elektrochemickou exfoliací.

 

Syntéza nanovloček SnOx – přehled procesu

Syntéza nanočástic oxidu cínu (SnO) začíná rozpuštěním prekurzoru cínu (SnCl₂) v 36 mL destilované vody za mírného míchání. pH roztoku se poté pečlivě upraví na hodnotu 9 až 10 pomalým přidáním 4 mL hydroxidu amonného během ultrazvukového ošetření. K sonikaci směsi po dobu 60 minut se používá sonikátor sondového typu – například UIP500hdT (500 W, 20 kHz) vybavený titanovou sonotrodou 18 mm (BS4d18) –, přičemž se teplota udržuje na přibližně 80–90 °C. Kontinuální sonikace podporuje nukleaci a rovnoměrný růst nanočástic oxidu cínu, takže přibližně po jedné hodině zpracování vznikne homogenní, průhledný koloidní roztok. (srov. Ullah et al., 2017)

Tento přístup je pozoruhodný tím, že využívá pouze vodná média – což zlepšuje kompatibilitu s následným biomedicínským zpracováním – a jedná se o škálovatelný a ekologický proces.

 

Příklad aplikace: NIR fototermální terapie (PTT)

Fototermální terapie (PTT) v blízké infračervené oblasti (NIR) s využitím nanomateriálů je slibnou strategií selektivní léčby rakoviny. V práci Chang et al. (2025) dosáhly nanovločky SnOx účinnosti fototermální konverze ~93 % (pro disperzi 0,25 mg/mL) při ozařování LED o vlnové délce 810 nm. Disperze o koncentraci 3 mg/mL vyvolala nárůst teploty o ~19 °C za 30 min. Studie in vitro navíc prokázaly selektivní cytotoxicitu: například při 100–200 µg/mL a 30minutovém ozařování při 115,2 mW/cm² činilo snížení viability buněk ~50 % u buněk kolorektálního karcinomu SW837 a ~92 % u buněk kožního karcinomu A431, přičemž vůči lidským kožním fibroblastům nebyla pozorována žádná cytotoxicita.
Tento výsledek je obzvláště zajímavý, protože využívá levné zdroje LED (namísto drahých laserů) a zpracování ve vodném prostředí, což zlepšuje škálovatelnost a translační potenciál. Ukazuje, jak morfologie nanomateriálu, inženýrství defektů a způsob zpracování (sonikace + oxidace) mohou otevřít nové možnosti v biomedicínských aplikacích.

Vysoce výkonné sonikátory pro syntézu nanovloček

Ultrazvukové procesory Hielscher jsou vysoce výkonné sonikátory německé konstrukce určené pro laboratorní i průmyslové aplikace, které nabízejí přesné řízení amplitudy, vstupu energie a teploty – klíčových parametrů pro reprodukovatelnou syntézu nanomateriálů. Při výrobě nanovloček poskytují jejich systémy sondového typu (např. UP400St, UIP500hdT, UIP1000hdT) intenzivní akustickou kavitaci, která umožňuje účinnou exfoliaci, delaminaci a dispergaci vrstevnatých materiálů, jako jsou oxidy kovů nebo dichalkogenidy. Nastavitelná amplituda (až 200 µm), schopnost nepřetržitého provozu a integrovaný digitální monitoring zajišťují konzistentní přenos energie a vynikající škálovatelnost od mililitrových po litrové objemy. Díky těmto vlastnostem jsou sonikátory Hielscher obzvláště výhodné pro syntézu jednotných nanovloček s kontrolovatelnou velikostí, tloušťkou a fázovým složením za ekologicky šetrných podmínek ve vodném prostředí.
Sonikátory Hielscher umožňují přesné nastavení amplitudy, času, pulzního režimu a teploty – což umožňuje cíleně řídit velikost, morfologii a funkcionalizaci.

Níže uvedená tabulka vám poskytne představu o přibližné zpracovatelské kapacitě našich ultrazvukových přístrojů:

Konstrukce, výroba a poradenství – kvalita Made in Germany

Ultrazvukové přístroje Hielscher jsou známé svou nejvyšší kvalitou a konstrukčními standardy. Robustnost a snadná obsluha umožňují hladkou integraci našich ultrazvukových přístrojů do průmyslových zařízení. Ultrazvukové přístroje Hielscher snadno zvládají drsné podmínky a náročná prostředí.

Hielscher Ultrasonics je společnost s certifikací ISO a klade zvláštní důraz na vysoce výkonné ultrazvukové přístroje s nejmodernější technologií a uživatelskou přívětivostí. Ultrazvukové přístroje Hielscher samozřejmě vyhovují požadavkům CE a splňují požadavky UL, CSA a RoHs.