Αποτελεσματική και ελεγχόμενη σύνθεση νανοσωματιδίων χρυσού

Νανοσωματίδια χρυσού ομοιόμορφου σχήματος και μορφολογίας μπορούν να συντεθούν αποτελεσματικά μέσω ηχοχημικής οδού. Η υπερηχητικά προωθούμενη χημική αντίδραση της σύνθεσης νανοσωματιδίων χρυσού μπορεί να ελεγχθεί με ακρίβεια για το μέγεθος των σωματιδίων, το σχήμα (π.χ. νανοσφαίρες, νανοράβδοι, νανοζώνες κ.λπ.) και τη μορφολογία. Η αποτελεσματική, απλή, ταχεία και πράσινη χημική διαδικασία επιτρέπει την αξιόπιστη παραγωγή νανοδομών χρυσού σε βιομηχανική κλίμακα.

Νανοσωματίδια χρυσού και νανοδομές

Τα νανοσωματίδια χρυσού και οι δομές νανομεγέθους εφαρμόζονται ευρέως στην R&D και βιομηχανικές διεργασίες λόγω των μοναδικών ιδιοτήτων του χρυσού νανομεγέθους, συμπεριλαμβανομένων των ηλεκτρονικών, μαγνητικών και οπτικών χαρακτηριστικών, των κβαντικών μεγεθών, του συντονισμού επιφανειακού πλασμονίου, της υψηλής καταλυτικής δραστηριότητας, της αυτοσυναρμολόγησης μεταξύ άλλων ιδιοτήτων. Τα πεδία εφαρμογής για νανοσωματίδια χρυσού (Au-NPs) κυμαίνονται από τη χρήση ως καταλύτη έως την κατασκευή νανοηλεκτρονικών συσκευών, καθώς και τη χρήση στην απεικόνιση, τη νανοφωτονική, τη νανομαγνητική, τους βιοαισθητήρες, τους χημικούς αισθητήρες, για οπτικές και θηρανικές εφαρμογές, τη χορήγηση φαρμάκων καθώς και άλλες χρήσεις.

Μέθοδοι σύνθεσης νανοσωματιδίων χρυσού

Νανο-δομημένα σωματίδια χρυσού μπορεί να συντεθεί μέσω διαφόρων οδών χρησιμοποιώντας υπερήχους υψηλής απόδοσης. Υπερήχους δεν είναι μόνο μια απλή, αποτελεσματική και αξιόπιστη τεχνική, επιπλέον υπερήχηση δημιουργεί συνθήκες για τη χημική μείωση των ιόντων χρυσού χωρίς τοξικούς ή σκληρούς χημικούς παράγοντες και επιτρέπει το σχηματισμό νανοσωματιδίων ευγενών μετάλλων διαφορετικών μορφολογιών. Η επιλογή της οδού και της sonochemical επεξεργασίας (γνωστή και ως sonosynthesis) επιτρέπει την παραγωγή νανοδομών χρυσού όπως νανοσέλες χρυσού, νανοράβδους, νανοζώνες κ.λπ. 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 κιτρικής μείωσης Turkevich καθώς και τροποποιημένες διαδικασίες Turkevich.
Η μέθοδος Turkevich παράγει μέτρια μονοδιασπαρμένα σφαιρικά νανοσωματίδια χρυσού διαμέτρου περίπου 10-20nm. Μεγαλύτερα σωματίδια μπορούν να παραχθούν, αλλά με κόστος μονοδιασποράς και σχήματος. Σε αυτή τη μέθοδο, το θερμό χλωροαυρικό οξύ επεξεργάζεται με διάλυμα κιτρικού νατρίου, παράγοντας κολλοειδή χρυσό. Η αντίδραση Turkevich προχωρά μέσω του σχηματισμού παροδικών νανοκαλωδίων χρυσού. Αυτά τα χρυσά νανοκαλώδια είναι υπεύθυνα για τη σκοτεινή εμφάνιση του διαλύματος αντίδρασης πριν γίνει ρουμπινί-κόκκινο.
Fuentes-García et al. (2020), οι οποίοι συνέθεσαν sonochemical νανοσωματίδια χρυσού, αναφέρουν ότι είναι εφικτή η κατασκευή νανοσωματιδίων 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) έδειξε ότι η υπερηχητική ενέργεια είναι μια βασική παράμετρος για την παραγωγή σφαιρικών νανοσωματιδίων χρυσού (AuNPs) ρυθμιζόμενων μεγεθών 20 έως 50 nm. Η ηχοσύνθεση μέσω αναγωγής κιτρικού νατρίου παράγει μονοδιασπαρμένα σφαιρικά νανοσωματίδια χρυσού σε υδατικό διάλυμα υπό ατμοσφαιρικές συνθήκες.

Η μέθοδος Turkevich-Frens με χρήση υπερήχων

Μια τροποποίηση της παραπάνω περιγραφόμενης διαδρομής αντίδρασης είναι η μέθοδος Turkevich-Frens, η οποία είναι μια απλή διαδικασία πολλαπλών σταδίων για τη σύνθεση νανοσωματιδίων χρυσού. Υπερήχους προωθεί την οδό αντίδρασης Turkevich-Frens με τον ίδιο τρόπο όπως η διαδρομή Turkevich. Το αρχικό βήμα της διαδικασίας πολλαπλών σταδίων Turkevich-Frens, όπου οι αντιδράσεις συμβαίνουν σε σειρά και παράλληλα, είναι η οξείδωση του κιτρικού οξέος που αποδίδει δικαρβοξυακετόνη. Στη συνέχεια, το αυρικό άλας ανάγεται σε αυρώδες άλας και Au⁰, και το αυρώδες άλας συναρμολογείται στο Au⁰ άτομα για να σχηματίσουν το AuNP (δείτε το σχήμα παρακάτω).
 

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

Αυτό σημαίνει ότι η δικαρβοξυακετόνη που προκύπτει από την οξείδωση του κιτρικού και όχι του ίδιου του κιτρικού άλατος δρα ως ο πραγματικός σταθεροποιητής AuNP στην αντίδραση Turkevich-Frens. Το κιτρικό άλας τροποποιεί επιπλέον το pH του συστήματος, το οποίο επηρεάζει το μέγεθος και την κατανομή μεγέθους των νανοσωματιδίων χρυσού (AuNPs). Αυτές οι συνθήκες της αντίδρασης Turkevich-Frens παράγουν σχεδόν μονοδιασπαρμένα νανοσωματίδια χρυσού με μεγέθη σωματιδίων μεταξύ 20 και 40nm. Το ακριβές μέγεθος σωματιδίων μπορεί να τροποποιηθεί κατά τη μεταβολή του pH του διαλύματος καθώς και από τις παραμέτρους υπερήχων. Τα σταθεροποιημένα με κιτρικό άλας AuNPs είναι πάντα μεγαλύτερα από 10 nm, λόγω της περιορισμένης αναγωγικής ικανότητας του διυδρικού κιτρικού τρινατρίου. Ωστόσο, χρησιμοποιώντας το D₂O ως διαλύτης αντί του H2O κατά τη σύνθεση των AuNPs επιτρέπει τη σύνθεση AuNPs με μέγεθος σωματιδίων 5 nm. Καθώς η προσθήκη του D2O αυξάνει την αναγωγική αντοχή του κιτρικού, ο συνδυασμός D2O και C₆H₉Να₃O₉. (πρβλ. Zhao et al., 2013)

Πρωτόκολλο για τη διαδρομή Sonochemical Turkevich-Frens

Προκειμένου να συντεθούν νανοσωματίδια χρυσού σε μια διαδικασία από κάτω προς τα πάνω μέσω της μεθόδου Turkevich-Frens, 50mL χλωροαυρικού οξέος (HAuCl₄), 0,025 mM χύνεται σε γυάλινο ποτήρι ζέσεως των 100 mL, μέσα στο οποίο 1 ml υδατικού διαλύματος κιτρικού τρινατρίου 1,5% (w/v)₃Ct) προστίθεται υπό υπερήχους σε θερμοκρασία δωματίου. Υπερήχους πραγματοποιήθηκε σε 60W, 150W, και 210W. Το Na₃CT/HAuCl₄ Η αναλογία που χρησιμοποιείται στα δείγματα είναι 3:1 (w/v). Μετά από υπερήχους, τα κολλοειδή διαλύματα έδειξαν διαφορετικά χρώματα, ιώδες 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 υπερήχων, σύμφωνα με τον δομικό χαρακτηρισμό. Fuentes-García et al. (2021) δείχνουν στις έρευνές τους την ισχυρή επίδραση της αύξησης των υπερήχων στο μέγεθος των σωματιδίων, την πολυεδρική δομή και τις οπτικές ιδιότητες των ηχοχημικά συντιθέμενων νανοσωματιδίων χρυσού και την κινητική αντίδρασης για το σχηματισμό τους. Και τα δύο, νανοσωματίδια χρυσού μεγέθους 16nm και 12nm μπορούν να παραχθούν με μια προσαρμοσμένη ηχοχημική διαδικασία. (Fuentes-García κ.ά., 2021)
 

α, β) Εικόνα TEM (κλίμακα 50 nm) και γ) κατανομή μεγέθους των AuNP που συντίθενται σε
δύναμη υπερήχων 17.9 Wcm2.
Εικόνα και μελέτη: © Dheyab et al., 2020.

Σονόλυση νανοσωματιδίων χρυσού

Μια άλλη μέθοδος για την πειραματική παραγωγή σωματιδίων χρυσού είναι με sonolysis, όπου εφαρμόζεται υπερηχογράφημα για τη σύνθεση σωματιδίων χρυσού με διάμετρο κάτω των 10 nm. Ανάλογα με τα αντιδραστήρια, η ηχολυτική αντίδραση μπορεί να εκτελεστεί με διάφορους τρόπους. Για παράδειγμα, υπερήχηση ενός υδατικού διαλύματος HAuCl₄ Με γλυκόζη, ρίζες υδροξυλίου και ρίζες πυρόλυσης ζάχαρης δρουν ως αναγωγικοί παράγοντες. Αυτές οι ρίζες σχηματίζονται στη διεπιφανειακή περιοχή μεταξύ των κοιλοτήτων που καταρρέουν και δημιουργούνται από το έντονο υπερηχογράφημα και το χύμα νερό. Η μορφολογία των νανοδομών χρυσού είναι νανοκορδέλες πλάτους 30-50 nm και μήκους αρκετών μικρομέτρων. 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, γεγονός που υποδηλώνει ότι η γλυκόζη είναι απαραίτητη για την κατεύθυνση της μορφολογίας προς μια κορδέλα.

Υποδειγματικό πρωτόκολλο για Sonochemical Nano-Gold Synthesis

Πρόδρομα υλικά που χρησιμοποιούνται για τη σύνθεση επικαλυμμένων με κιτρικό άλας AuNPs περιλαμβάνουν HAuCl4, κιτρικό νάτριο και απεσταγμένο νερό. Για την προετοιμασία του δείγματος, το πρώτο βήμα περιελάμβανε τη διάλυση του HAuCl4 σε απεσταγμένο νερό συγκέντρωσης 0,03 M. Στη συνέχεια, το διάλυμα HAuCl4 (2 ml) προστέθηκε στάγδην σε 20 ml υδατικού διαλύματος κιτρικού νατρίου 0,03 M. Κατά τη διάρκεια της φάσης ανάμειξης, ένας υπερηχητικός καθετήρας υψηλής πυκνότητας (20 kHz) με ένα υπερηχητικό κέρατο εισήχθη στο διάλυμα για 5 λεπτά με ηχητική ισχύ 17,9 W·cm²
(πρβλ. Dhabey στο al. 2020)

Σύνθεση Gold Nanobelt χρησιμοποιώντας κατεργασία με υπερήχους

Οι μονές νανοζώνες κρυσταλλίνης (βλ. εικόνα TEM αριστερά) μπορούν να συντεθούν μέσω υπερήχων ενός υδατικού διαλύματος 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 να επηρεάσουν τη Sonochemical σύνθεση των NPs χρυσού

Η εφαρμογή έντονου υπερήχου σε χημικές αντιδράσεις ξεκινά και προάγει τη μετατροπή και τις αποδόσεις. Προκειμένου να επιτευχθεί ομοιόμορφο μέγεθος σωματιδίων και ορισμένα στοχευμένα σχήματα / μορφολογίες, η επιλογή των επιφανειοδραστικών ουσιών είναι ένας κρίσιμος παράγοντας. Η προσθήκη αλκοολών βοηθά επίσης στον έλεγχο του σχήματος και του μεγέθους των σωματιδίων. Για παράδειγμα, παρουσία α-d-γλυκόζης, οι κύριες αντιδράσεις στη διαδικασία sonolysis του υδατικού HAuCl₄ όπως απεικονίζεται στις ακόλουθες εξισώσεις (1-4):
(1) Η₂ O –> H∙ + OH∙
(2) sugar –> pyrolysis radicals
(3) ΑΙΙΙ + reducing radicals –> Au⁰
(4) nAu⁰ –> AuNP (nanobelts)
(πρβλ. Zhao et al., 2014)

Η δύναμη των υπερήχων τύπου καθετήρα

Υπερήχων ανιχνευτές ή sonotrodes (που ονομάζονται επίσης υπερήχων κέρατα) παρέχουν υπερήχους υψηλής έντασης και ακουστική σπηλαίωση σε πολύ εστιασμένη μορφή σε χημικές λύσεις. Αυτή η επακριβώς ελεγχόμενη και αποτελεσματική μετάδοση υπερήχων ισχύος επιτρέπει αξιόπιστες, επακριβώς ελεγχόμενες και αναπαραγώγιμες συνθήκες, όπου οι οδοί χημικών αντιδράσεων 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 όγκο υγρού. Αυτό καθιστά τα λουτρά υπερήχων αναξιόπιστα για οποιεσδήποτε sonochemical αντιδράσεις.
“Τα λουτρά καθαρισμού με υπερήχους έχουν πυκνότητα ισχύος που αντιστοιχεί σε ένα μικρό ποσοστό της ισχύος που παράγεται από ένα κέρατο υπερήχων. Η χρήση των λουτρών καθαρισμού στην ηχοχημεία είναι περιορισμένη, δεδομένου ότι δεν επιτυγχάνεται πάντοτε πλήρως ομοιογενές μέγεθος και μορφολογία σωματιδίων. Αυτό οφείλεται στις φυσικές επιδράσεις των υπερήχων επί των διαδικασιών πυρηνοποίησης και ανάπτυξης.” (González-Mendoza et al. 2015)

Υπερήχων υψηλής απόδοσης για τη σύνθεση νανοσωματιδίων χρυσού

Hielscher Υπέρηχοι παρέχει ισχυρό και αξιόπιστο υπερήχων επεξεργαστές για sonochemical σύνθεση (sono-σύνθεση) των νανοσωματιδίων όπως ο χρυσός και άλλες ευγενείς νανοδομές μετάλλων. Υπερήχων διέγερση και διασπορά αυξάνει τη μεταφορά μάζας σε ετερογενή συστήματα και προωθεί την διαβροχή και την επακόλουθη πυρήνωση των ομάδων ατόμων προκειμένου να καθιζάνει νανο-σωματίδια. Υπερήχων σύνθεση των νανο-σωματιδίων είναι μια απλή, οικονομικά αποδοτική, βιοσυμβατή, αναπαραγώγιμη, ταχεία, και ασφαλής μέθοδος.
Hielscher Υπέρηχοι παρέχει ισχυρά και με ακρίβεια ελεγχόμενη υπερήχων επεξεργαστές για το σχηματισμό νανο-μεγέθους δομές όπως nanosheres, nanorods, nanobelts, νανο-κορδέλες, νανοσυστάδες, πυρήνα-κέλυφος σωματίδια κλπ.
Διαβάστε περισσότερα για τη σύνθεση με υπερήχους νανοσωματιδίων χρυσού με τη βοήθεια του μπρόκολου και τη χρήση τους ως βιογενετικά φάρμακα!
Διαβάστε περισσότερα για την υπερηχητική σύνθεση μαγνητικών νανοσωματιδίων!
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 υπερήχων για το εργαστήριο έως 16.000 watt ισχυρά βιομηχανικά συστήματα υπερήχων, Hielscher έχει την ιδανική ρύθμιση υπερήχων για την εφαρμογή σας. Ο ηχοχημικός εξοπλισμός για την παραγωγή παρτίδων και συνεχούς σειράς σε αντιδραστήρες ροής είναι άμεσα διαθέσιμος σε οποιοδήποτε πάγκο και βιομηχανικό μέγεθος. Η ευρωστία των υπερήχων Hielscher επιτρέπει 24 ώρες το 24ωρο, 7 ημέρες την εβδομάδα λειτουργία σε βαρέα καθήκοντα και σε απαιτητικά περιβάλλοντα.

Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση ικανότητας επεξεργασίας των υπερήχων μας: