Ultralydssyntese af SnOx-nanoflager

Todimensionelle (2D) nanomaterialer tiltrækker fortsat betydelig interesse inden for materialevidenskab på grund af deres store overfladeareal, justerbare elektroniske egenskaber og unikke vekselvirkninger med lys og stof. Blandt disse er tinoxidbaserede systemer (generelt SnO₂ eller blandede SnO/SnO₂-faser) af særlig interesse på grund af deres halvledende egenskaber, kemiske stabilitet og kompatibilitet med behandling i vandige medier. Ved sonokemisk syntese muliggør sonikering top-down-fremstilling af tinoxidflager i nanoskala (SnOx-nanoflager) med fremragende strukturelle / morfologiske egenskaber – hvilket gør dem velegnede til avancerede anvendelser såsom fototermisk terapi (PTT).

Mekanisme og begrundelse for ultralydseksfoliering til fremstilling af nanoflager

Ultralydsbehandling (sonikering med høj intensitet) er veletableret som en særdeles effektiv teknik til syntese af nanomaterialer. Det centrale fysiske fænomen er akustisk kavitation – dvs. cyklusser med dannelse, vækst og kollaps af bobler i et flydende medium – som skaber lokale ekstreme forhold (temperaturer på ~5 000 K, tryk på ~1 000 bar og hurtige afkølings-/opvarmningshastigheder), der fremmer fragmentering, eksfoliering og kemisk omdannelse af faste udgangsmaterialer.

For lagdelte eller delvist lagdelte tinforbindelser (f.eks. SnS₂, SnO, SnO₂) fremmer ultralydsbehandling:

• Delaminering eller eksfoliering af lagdelte strukturer til tynde flager;
• Mekanisk fragmentering, der reducerer størrelsen i lateral retning;
• Øget massetransport og reaktivitet i vandige medier, hvilket potentielt kan danne strukturer med defekter eller medføre faseomdannelser;
• Forbedret dispergering af plader i nanoskala i opløsning til videre behandling.

For eksempel blev enkeltkrystallinske SnO-nanoplader fremstillet ved ultralydssyntese i et vandigt medium i tilstedeværelse af PVP (polyvinylpyrrolidon) for at fremme eksfoliering og hæmme væksten af mikrokrystaller. Mere generelt er ultralyd blevet anvendt til at fremstille porøst SnO₂ med store specifikke overfladearealer via sonokemiske metoder.
Når målet er at fremstille tinoxidnanoflager (SnOx) med top-down-metoder, er sonikering derfor et logisk valg – især i kombination med vandige medier, mild kemisk behandling eller elektrokemisk eksfoliering.

 

 

Syntese af SnOx-nanoflager – procesoversigt

Syntesen af tinoxidnanopartikler (SnO) begynder med, at tinprækursoren (SnCl₂) opløses i 36 mL destilleret vand under forsigtig omrøring. Opløsningens pH justeres derefter omhyggeligt til mellem 9 og 10 ved langsom tilsætning af 4 mL ammoniumhydroxid under ultralydsbehandling. En sonikator med sonde – såsom UIP500hdT (500 W, 20 kHz) udstyret med en 18 mm titansonde (BS4d18) – anvendes til at sonikere blandingen i 60 minutter, mens temperaturen holdes på cirka 80–90 °C. Kontinuerlig sonikering fremmer kernedannelse og ensartet vækst af tinoxidnanopartikler, hvilket giver en homogen, transparent kolloid opløsning efter cirka en times behandling. (jf. Ullah et al., 2017)

Denne tilgang er bemærkelsesværdig, fordi den kun anvender vandige medier – hvilket forbedrer kompatibiliteten med efterfølgende biomedicinsk behandling – og er en skalerbar og grøn proces.

 

 

Anvendelseseksempel: NIR-fototermisk terapi (PTT)

Nærinfrarød (NIR) fototermisk terapi (PTT) med nanomaterialer er en lovende strategi til selektiv kræftbehandling. I arbejdet af Chang et al. (2025) opnåede SnOx-nanoflagerne en fototermisk omdannelseseffektivitet på ~93 % (for en dispersion på 0,25 mg/mL) under bestråling med 810 nm LED-lys. En dispersion på 3 mg/mL gav en temperaturstigning på ~19 °C på 30 min. Desuden påviste in vitro-studier selektiv cytotoksicitet: For eksempel var reduktionen i cellelevedygtighed ved 100–200 µg/mL og 30 min bestråling ved 115,2 mW/cm² ~50 % i SW837-kolorektale karcinomceller og ~92 % i A431-hudkarcinomceller, mens der ikke blev observeret cytotoksicitet over for humane hudfibroblaster.
Dette resultat er særligt interessant, fordi der anvendes billige LED-lyskilder (frem for dyre lasere) og behandling i vandige medier, hvilket forbedrer skalerbarheden og potentialet for overførsel til klinisk anvendelse. Det fremhæver, hvordan nanomaterialers morfologi, målrettet tilpasning af defekter og fremstillingsmetoden (sonikering + oxidation) kan åbne nye muligheder inden for biomedicinske anvendelser.

Højtydende sonikatorer til syntese af nanoflager

Hielschers ultralydsprocessorer er højtydende sonikatorer udviklet i Tyskland til både laboratorie- og industrianvendelser, som giver præcis kontrol over amplitude, energitilførsel og temperatur – centrale parametre for reproducerbar syntese af nanomaterialer. Ved fremstilling af nanoflager leverer deres systemer med sonde (f.eks. UP400St, UIP500hdT, UIP1000hdT) intens akustisk kavitation, der muliggør effektiv eksfoliering, delaminering og dispergering af lagdelte materialer såsom metaloxider eller dichalkogenider. Den justerbare amplitude (op til 200 µm), muligheden for kontinuerlig drift og den integrerede digitale overvågning sikrer ensartet energioverførsel og fremragende skalerbarhed fra milliliter- til litervolumener. Disse egenskaber gør Hielschers sonikatorer særligt fordelagtige til syntese af ensartede nanoflager med kontrollerbar størrelse, tykkelse og fasesammensætning under miljøvenlige, vandige forhold.
Hielschers sonikatorer muliggør præcis indstilling af amplitude, tid, pulstilstand og temperatur – hvilket gør det muligt at tilpasse størrelse, morfologi og funktionalisering.

Tabellen nedenfor giver dig en indikation af vores ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet:

Design, fremstilling og rådgivning – kvalitet fremstillet i Tyskland

Hielschers ultralydsapparater er kendt for deres højeste kvalitets- og designstandarder. Robusthed og nem betjening muliggør problemfri integration af vores ultralydsapparater i industrielle anlæg. Hielschers ultralydsapparater håndterer let barske forhold og krævende miljøer.

Hielscher Ultrasonics er en ISO-certificeret virksomhed og lægger særlig vægt på højtydende ultralydsapparater med teknologi på det nyeste tekniske niveau og brugervenlighed. Hielschers ultralydsapparater er naturligvis CE-kompatible og opfylder kravene fra UL, CSA og RoHs.