Τα νανοσωματίδια χρυσού ομοιόμορφου σχήματος και μορφολογίας μπορούν να συντεθούν αποτελεσματικά μέσω sonochemical διαδρομής. Η υπερηχητικά προωθημένη χημική αντίδραση της σύνθεσης νανοσωματιδίων χρυσού μπορεί να ελεγχθεί με ακρίβεια για το μέγεθος, το σχήμα των σωματιδίων (π.χ. νανοσφαιρίδια, νανοροίδες, νανοβελίδες κ.λπ.) και τη μορφολογία. Η αποτελεσματική, απλή, ταχεία και πράσινη χημική διαδικασία επιτρέπει την αξιόπιστη παραγωγή νανοκατασκευών χρυσού σε βιομηχανική κλίμακα.

Νανοσωματίδια χρυσού και νανοκατασκευές

Τα νανοσωματίδια χρυσού και οι δομές νανο-μεγέθους εφαρμόζονται ευρέως στο R&D και βιομηχανικές διεργασίες λόγω των μοναδικών ιδιοτήτων του νανο-μεγέθους χρυσού, συμπεριλαμβανομένων των ηλεκτρονικών, μαγνητικών και οπτικών χαρακτηριστικών, των κβαντικών επιδράσεων μεγέθους, της αντηχίας του plasmon επιφάνειας, της υψηλής καταλυτικής δραστηριότητας, της αυτοσυναρμολόγησης μεταξύ άλλων ιδιοτήτων. Τα πεδία εφαρμογής για τα νανο-σωματίδια χρυσού (Au-NPs) κυμαίνονται από τη χρήση ως καταλύτης έως την κατασκευή νανοηλεκτρονικών συσκευών, καθώς και τη χρήση στην απεικόνιση, τη νανο-φωτονική, τη νανομαγνητική, τους βιοαισθητήρες, τους χημικούς αισθητήρες, για οπτικές και θερονοστικές εφαρμογές, την παράδοση φαρμάκων καθώς και άλλες χρήσεις.

Μέθοδοι σύνθεσης νανοσωματιδίων χρυσού

Νανο-δομημένο σωματίδια χρυσού μπορούν να συντεθούν μέσω διαφόρων διαδρομών χρησιμοποιώντας υπερήχους υψηλής απόδοσης. Υπερήχους δεν είναι μόνο μια απλή, αποτελεσματική και αξιόπιστη τεχνική, επιπλέον κατεργασία με υπερήχους δημιουργεί συνθήκες για τη χημική μείωση των ιόντων χρυσού χωρίς τοξικούς ή σκληρούς χημικούς παράγοντες και επιτρέπει το σχηματισμό ευγενών μεταλλικών νανοσωματιδίων διαφορετικών μορφολογιών. Η επιλογή της διαδρομής και της sonochemical θεραπείας (επίσης γνωστή ως sonosynthesis) επιτρέπει την παραγωγή νανοκατασκευών χρυσού όπως νανοσέρες χρυσού, νανοροίδες, νανοβελίδες κ.α. με ομοιόμορφο μέγεθος και μορφολογία.
Παρακάτω μπορείτε να βρείτε επιλεγμένα sonochemical μονοπάτια για την παρασκευή νανοσωματιδίων χρυσού.

Υπερηχητικά βελτιωμένη μέθοδος Turkevich

Κατεργασία με υπερήχους χρησιμοποιείται για να εντείνει την αντίδραση μείωσης κιτρινικών του Turkevich καθώς επίσης και τις τροποποιημένες διαδικασίες Turkevich.
Η μέθοδος Turkevich παράγει σεμνά μονοδιάσπασμα σφαιρικά νανοσωματίδια χρυσού διαμέτρου περίπου 10-20nm. Μεγαλύτερα σωματίδια μπορούν να παραχθούν, αλλά εις βάρος της μονοδιάδρομης και του σχήματος. Σε αυτή τη μέθοδο, το ζεστό χλωροαουρικό οξύ υποβάλλεται σε επεξεργασία με διάλυμα κιτρικού νατρίου, παράγοντας κολλοειδή χρυσό. Η αντίδραση turkevich προχωρά μέσω του σχηματισμού των μεταβατικών νανοσωματιδίων χρυσού. Αυτά τα νανοσωματίδια χρυσού είναι υπεύθυνα για τη σκοτεινή εμφάνιση του διαλύματος αντίδρασης πριν γίνει ρουμπινί-κόκκινο.
Fuentes-García et al. (2020), ο οποίος συνθέτει ηχοχημικά νανοσωματίδια χρυσού, αναφέρει ότι είναι εφικτό να κατασκευαστούν νανοσωματίδια χρυσού με αλληλεπίδραση υψηλής απορρόφησης χρησιμοποιώντας υπερήχους ως μοναδική πηγή ενέργειας, μειώνοντας τις εργαστηριακές απαιτήσεις και ελέγχοντας τις ιδιότητες τροποποιώντας απλές παραμέτρους.
Lee et al. (2012) απέδειξε ότι η υπερηχητική ενέργεια είναι μια βασική παράμετρος για την παραγωγή σφαιρικών νανοσωματιδίων χρυσού (AuNPs) τόνου μεγέθη των 20 έως 50 nm. Η sonosynthesis μέσω της μείωσης του κιτρικού νατρίου παράγει μονοδιάσπερση σφαιρικά νανοσωματίδια χρυσού σε υδατικό διάλυμα υπό ατμοσφαιρικές συνθήκες.

Η μέθοδος Turkevich-Frens με υπερήχους

Μια τροποποίηση της παραπάνω περιγραφόμενης διαδρομής αντίδρασης είναι η μέθοδος Turkevich-Frens, η οποία είναι μια απλή διαδικασία πολλαπλών βημάτων για τη σύνθεση νανοσωματιδίων χρυσού. Υπερήχους προωθεί το μονοπάτι αντίδρασης Turkevich-Frens με τον ίδιο τρόπο όπως η διαδρομή Turkevich. Το αρχικό βήμα της διαδικασίας πολλαπλών βημάτων Turkevich-Frens, όπου οι αντιδράσεις εμφανίζονται σε σειρά και παράλληλα, είναι η οξείδωση του κιτρικού που παράγει δικαρβοξυ ακετόνη. Στη συνέχεια, το αλάτι auric μειώνεται σε άουτ αλάτι και Au⁰, και το άουτ αλάτι συναρμολογείται στο Au⁰ άτομα για να σχηματίσουν το AuNP (βλ. παρακάτω σχήμα).

Σύνθεση νανοσωματιδίων χρυσού μέσω της μεθόδου Turkevich.
σχέδιο και μελέτη: ©Zhao et al., 2013

Αυτό σημαίνει ότι η δικαρβοξυ ακετόνη που προκύπτει από την οξείδωση του κιτρικού και όχι του ίδιου του κιτρικού δρα ως ο πραγματικός σταθεροποιητής AuNP στην αντίδραση Turkevich-Frens. Το κιτρικό αλάτι τροποποιεί επιπλέον το pH του συστήματος, το οποίο επηρεάζει το μέγεθος και το μέγεθος κατανομής των νανοσωματιδίων χρυσού (AuNPs). Αυτές οι συνθήκες της αντίδρασης Turkevich-Frens παράγουν σχεδόν νανοσωματίδια χρυσού μονοδιάσπερσης με μεγέθη σωματιδίων μεταξύ 20 και 40nm. Το ακριβές μέγεθος των σωματιδίων μπορεί να τροποποιηθεί κατά την παραλλαγή του pH του διαλύματος καθώς και από τις υπερηχητικές παραμέτρους. Τα σταθεροποιημένα με κιτρικό auNPs είναι πάντα μεγαλύτερα από 10 nm, λόγω της περιορισμένης ικανότητας μείωσης του διυδρικού κιτρικού τρισώδιου. Ωστόσο, η χρήση του D₂O ως διαλύτης αντί για H₂O κατά τη σύνθεση των AuNPs επιτρέπει τη σύνθεση auNPs με μέγεθος σωματιδίων 5 nm. Ως προσθήκη του D₂O αυξήστε τη μείωση της δύναμης του κιτρικόυ, ο συνδυασμός του D₂Ο και Γ₆H₉Να₃ο₉. (πρβλ. Ζάο κ.ά., 2013)

Πρωτόκολλο για τη σονοχημική διαδρομή Τουρκεβίτς-Φρένς

Προκειμένου να συνθέσουν νανοσωματίδια χρυσού σε διαδικασία από τη βάση προς τα πάνω μέσω της μεθόδου Turkevich-Frens, 50mL χλωροαουϊκού οξέος (HAuCl₄), 0,025 mM χύνεται σε γυάλινο ποτήρι ποτήρι 100 mL, στο οποίο 1 mL 1,5% (w/v) υδατικό διάλυμα κιτρικού τρισορίου (Na₃Ct) προστίθεται υπό υπερήχους σε θερμοκρασία δωματίου. Υπερήχους πραγματοποιήθηκε σε 60W, 150W, και 210W. Η Να₃Ct/HAuCl₄ ο λόγος που χρησιμοποιείται στα δείγματα είναι 3:1 (w/v). Μετά υπερήχους, τα κολλοειδή διαλύματα έδειξαν διαφορετικά χρώματα, βιολετί για 60 W και ρουμπινί-κόκκινο για δείγματα 150 και 210 W. Μικρότερα μεγέθη και πιο σφαιρικές συστάδες νανοσωματιδίων χρυσού παρήχθησαν με την αύξηση της ισχύος κατεργασίας με υπερήχους, σύμφωνα με τον δομικό χαρακτηρισμό. Fuentes-García et al. (2021) δείχνουν στις έρευνές τους την ισχυρή επίδραση της αύξησης της κατεργασίας με υπερήχους στο μέγεθος των σωματιδίων, την πολυεδρική δομή και τις οπτικές ιδιότητες των sonochemically συνθετωμένων νανοσωματιδίων χρυσού και την κινητική αντίδρασης για το σχηματισμό τους. Και τα δύο, νανοσωματίδια χρυσού με μέγεθος 16nm και 12nm μπορούν να παραχθούν με προσαρμοσμένη sonochemical διαδικασία. (Φουέντες-Γκαρσία κ.ά., 2021)

α,β) TEM εικόνα και (γ) κατανομή μεγέθους sonochemically συντεθειμένων νανοσωματιδίων χρυσού (AuNPs)
Εικόνα και μελέτη: © Dheyab et al., 2020.

Sonolysis των νανοσωματιδίων χρυσού

Μια άλλη μέθοδος για την πειραματική παραγωγή σωματιδίων χρυσού είναι η sonolysis, όπου εφαρμόζεται υπέρηχος για τη σύνθεση σωματιδίων χρυσού με διάμετρο κάτω των 10 nm. Ανάλογα με τα αντιδραστήρια, η sonolytic αντίδραση μπορεί να τρέξει με διάφορους τρόπους. Για παράδειγμα, κατεργασία με υπερήχους ενός υδατικού διαλύματος του HAuCl₄ με γλυκόζη, οι ρίζες υδροξυλίου και οι ρίζες πυρόλυσης ζάχαρης δρουν ως αναγωγικοί παράγοντες. Αυτές οι ρίζες σχηματίζονται στη διαθρησκειακή περιοχή μεταξύ των κοιλοτήτων που καταρρέουν και δημιουργούνται από έντονο υπέρηχο και το χύμα νερό. Η μορφολογία των νανοκατασκευών χρυσού είναι νανοριμπόνια πλάτους 30-50 nm και μήκους αρκετών μικρόμετρα. Αυτές οι κορδέλες είναι πολύ εύκαμπτες και μπορούν να λυγίσουν με γωνίες μεγαλύτερες από 90°. Όταν η γλυκόζη αντικαθίσταται από κυκλοδεξτρίνη, ένα ολιγομερές γλυκόζης, λαμβάνονται μόνο σφαιρικά σωματίδια χρυσού, υποδηλώνοντας ότι η γλυκόζη είναι απαραίτητη για την καθοδήγηση της μορφολογίας προς μια κορδέλα.

Υποδειγματικό πρωτόκολλο για τη sonochemical νανο-χρυσή σύνθεση

Τα πρόδρομα υλικά που χρησιμοποιούνται για τη σύνθεση auNPs με επικάλυψη κιτρικό είναι HAuCl₄, κιτρικό νάτριο και απσταμένο νερό. Για την προετοιμασία του δείγματος, το πρώτο βήμα αφορούσε τη διάλυση της HAuCl₄ σε απινιωμένο νερό με συγκέντρωση 0,03 M. Στη συνέχεια, η λύση του HAuCl₄ (2 mL) προστέθηκε στα 20 mL υδατικού διαλύματος κιτρικό νατρίου 0,03 M. Κατά τη διάρκεια της φάσης ανάμιξης, ένας υπερηχητικός καθετήρας υψηλής πυκνότητας (20 kHz) με υπερηχητικό κέρατο εισήχθη στο διάλυμα για 5 λεπτά με ηχητική ισχύ 17,9 W·cm²
(πρβλ. Νταμπέι στο αλ. 2020)

Σύνθεση νανοβελτίων χρυσού με κατεργασία με υπερήχους

Οι μεμονωμένες σταυραλλίνες νανοβελίδες (βλ. εικόνα TEM αριστερά) μπορούν να συντεθούν μέσω κατεργασίας με υπερήχους ενός υδατικού διαλύματος του HAuCl₄ παρουσία α-D-γλυκόζης ως reagens. Οι ηχοχημικά συντιθέμενες νανοζώνες χρυσού παρουσιάζουν μέσο πλάτος 30 έως 50 nm και μήκος αρκετών μικρομέτρων. Η υπερηχητική αντίδραση για την παραγωγή νανοζωνών χρυσού είναι απλή, ταχεία και αποφεύγει τη χρήση τοξικών ουσιών. (πρβλ. Zhang et al, 2006)

Επιφανειοδραστικές ουσίες για την επιρροή sonochemical σύνθεση του χρυσού NPs

Η εφαρμογή έντονου υπερήχου σε χημικές αντιδράσεις ξεκινά και προωθεί τη μετατροπή και τις αποδόσεις. Προκειμένου να επιτευχθεί ομοιόμορφο μέγεθος σωματιδίων και ορισμένα στοχευμένα σχήματα / μορφολογίες, η επιλογή των επιφανειοδραστικών ουσίες είναι ένας κρίσιμος παράγοντας. Η προσθήκη οινοπνεύματος βοηθά επίσης στον έλεγχο του σχήματος και του μεγέθους των σωματιδίων. Για παράδειγμα, παρουσία γλυκόζης a-d, οι κύριες αντιδράσεις στη διαδικασία sonolysis του υδατικού HAuCl₄ όπως απεικονίζεται στις ακόλουθες εξισώσεις (1-4):
(1) Η₂ O —> H∙ + OH∙
(2) ζάχαρη —> ρίζες πυρόλυσης
(3) ΑIII + μείωση των ριζών — > Au⁰
(4) nAu⁰ —> AuNP (νανο-ζώνες)
(πρβλ. Ζάο κ.ά., 2014)

Η δύναμη των υπερήχων τύπου καθετήρα

Υπερήχων ανιχνευτές ή sonotrodes (που ονομάζονται επίσης υπερηχητικά κέρατα) παρέχουν υψηλής έντασης υπερήχους και ακουστική σπηλαίωση σε πολύ εστιασμένη μορφή σε χημικά διαλύματα. Αυτή η ακριβώς ελεγχόμενη και αποτελεσματική μετάδοση υπερήχων ισχύος επιτρέπει αξιόπιστες, με ακρίβεια ελεγχόμενες και αναπαραγώγιμες συνθήκες, όπου οι οδοί χημικής αντίδρασης μπορούν να ξεκινήσουν, να ενταθούν και να αλλάξουν. Αντίθετα, ένα λουτρό υπερήχων (επίσης γνωστό ως υπερηχητικό καθαριστικό ή δεξαμενή) παρέχει υπερήχους με πολύ χαμηλή πυκνότητα ισχύος και τυχαία σημεία σπηλαίωσης σε μεγάλο υγρό όγκο. Αυτό καθιστά τα υπερηχητικά λουτρά αναξιόπιστα για οποιεσδήποτε sonochemical αντιδράσεις.
"Υπερήχων καθαρισμού λουτρά έχουν μια πυκνότητα ισχύος που αντιστοιχεί σε ένα μικρό ποσοστό από αυτό που παράγεται από ένα υπερηχητικό κέρατο. Η χρήση των λουτρών καθαρισμού στη sonochemistry είναι περιορισμένη, λαμβάνοντας υπόψη ότι δεν επιτυγχάνεται πάντα πλήρως ομοιογενές μέγεθος σωματιδίων και μορφολογία. Αυτό οφείλεται στις φυσικές επιδράσεις του υπερήχου πάνω από τον πυρήνα και τις διαδικασίες καλλιέργειας." (Γκονζάλες-Μεντόζα κ.ά. 2015)

Υπερήχους υψηλής απόδοσης για τη σύνθεση των νανοσωματιδίων χρυσού

Hielscher Ultrasonics παρέχει ισχυρούς και αξιόπιστους υπερήχους επεξεργαστές για sonochemical σύνθεση (sono-σύνθεση) νανοσωματίδια όπως χρυσό και άλλες ευγενείς νανοδομές μετάλλων. Υπερήχων διέγερση και διασπορά αυξάνει τη μεταφορά μάζας σε ετερογενή συστήματα και προωθεί τη διαβροχή και τον επακόλουθο πυρήνα των συστάδων ατόμων προκειμένου να κατακρημνιστούν τα νανο-σωματίδια. Υπερήχων σύνθεση των νανο-σωματιδίων είναι μια απλή, οικονομικά αποδοτική, βιοσυμβατή, αναπαραγώγιμη, ταχεία και ασφαλής μέθοδος.
Hielscher Ultrasonics παρέχει ισχυρούς και με ακρίβεια ελεγχόμενους υπερήχους επεξεργαστές για το σχηματισμό δομών νανο-μεγέθους, όπως νανοσέρ, νανο-ίντσες, νανοβελίδες, νανο-κορδέλες, νανοκλητήρες, σωματίδια πυρήνα-κελύφους κλπ.
Οι πελάτες μας εκτιμούν τα έξυπνα χαρακτηριστικά των ψηφιακών συσκευών Hielscher, οι οποίες είναι εξοπλισμένες με έξυπνο λογισμικό, έγχρωμη οθόνη αφής, αυτόματο πρωτόκολλο δεδομένων σε ενσωματωμένη κάρτα SD και διαθέτουν ένα διαισθητικό μενού για φιλική προς το χρήστη και ασφαλή λειτουργία.
Καλύπτοντας το πλήρες εύρος ισχύος από 50 Watt χειρός υπερήχους για το εργαστήριο μέχρι 16.000 Watt ισχυρά βιομηχανικά συστήματα υπερήχων, Hielscher έχει την ιδανική ρύθμιση υπερήχων για την εφαρμογή σας. Ο sonochemical εξοπλισμός για την παρτίδα και τη συνεχή ενσωματωμένη παραγωγή στους ρέοντοςς-μέσω αντιδραστήρων είναι άμεσα διαθέσιμος σε οποιοδήποτε πάγκο-τοπ και βιομηχανικό μέγεθος. Η ευρωστία του εξοπλισμού υπερήχων hielscher επιτρέπει 24 ώρες το 24ωρο, 7 ημέρες την εβδομάδα λειτουργία σε βαρέων καθηκόντων και σε απαιτητικά περιβάλλοντα.

Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη για την κατά προσέγγιση ικανότητα επεξεργασίας των υπερήχων μας: