Σύνθεση νανοαργύρου με μέλι και υπερήχους

Ο νανοάργυρος χρησιμοποιείται για τις αντιβακτηριακές του ιδιότητες, για την ενίσχυση υλικών στην ιατρική και την επιστήμη των υλικών. Η κατεργασία με υπερήχους επιτρέπει την ταχεία, αποτελεσματική, ασφαλή και φιλική προς το περιβάλλον σύνθεση σφαιρικών νανοσωματιδίων αργύρου σε νερό. Η σύνθεση νανοσωματιδίων με υπερήχους μπορεί εύκολα να κλιμακωθεί από μικρή σε μεγάλη κλίμακα παραγωγής.

Σύνθεση κολλοειδούς νανοαργύρου υποβοηθούμενη από υπερήχους

Η ηχοχημική σύνθεση, η οποία αναφέρεται σε χημικές αντιδράσεις που διευκολύνονται από την ακτινοβόληση με υπερήχους, είναι μια ευρέως εφαρμοζόμενη μέθοδος παραγωγής νανοσωματιδίων. Σε αυτά περιλαμβάνονται ο άργυρος, ο χρυσός, ο μαγνητίτης, ο υδροξυαπατίτης, ο περοβσκίτης, το λάτεξ και πολλά άλλα νανοϋλικά.

Σύνθεση με μεθόδους υγρής χημείας και υπερήχους

Έχουν αναπτυχθεί πολλές οδοί σύνθεσης υποβοηθούμενης από υπερήχους για την παραγωγή νανοσωματιδίων αργύρου. Μια αξιοσημείωτη μέθοδος χρησιμοποιεί το μέλι τόσο ως αναγωγικό παράγοντα όσο και ως παράγοντα επιφανειακής επικάλυψης. Συστατικά του μελιού, όπως η γλυκόζη και η φρουκτόζη, δρουν συνεργιστικά σε αυτούς τους ρόλους κατά τη διαδικασία σύνθεσης.
Όπως πολλές τεχνικές σύνθεσης νανοσωματιδίων, η σύνθεση νανοαργύρου με υπερήχους εμπίπτει στην κατηγορία της υγρής χημείας. Η διαδικασία αρχίζει με την πυρηνοποίηση νανοσωματιδίων αργύρου μέσα σε ένα διάλυμα. Κατά την κατεργασία με υπερήχους, μια πρόδρομη ένωση αργύρου (π.χ. νιτρικός άργυρος (AgNO₃) ή υπερχλωρικός άργυρος (AgClO₄)) ανάγεται παρουσία ενός αναγωγικού παράγοντα, όπως το μέλι, για την παραγωγή κολλοειδούς αργύρου.

Μηχανισμός πυρηνοποίησης και ανάπτυξης του αργύρου με υπερήχους

Αρχική φάση πυρηνοποίησης: Καθώς αυξάνεται η συγκέντρωση των διαλυμένων ιόντων αργύρου, τα ιόντα μεταλλικού αργύρου αρχίζουν να συνδέονται σχηματίζοντας μικρά συσσωματώματα. Σε αυτό το στάδιο, τα συσσωματώματα αυτά είναι ενεργειακά ασταθή λόγω αρνητικού ενεργειακού ισοζυγίου. Η ενέργεια που απαιτείται για τη δημιουργία νέων επιφανειών υπερβαίνει την ενέργεια που κερδίζεται από τη μείωση της συγκέντρωσης του διαλυμένου αργύρου.

• Κρίσιμη ακτίνα: Όταν ένα συσσωμάτωμα φτάσει σε ένα συγκεκριμένο μέγεθος (την κρίσιμη ακτίνα), η διαδικασία γίνεται ενεργειακά ευνοϊκή, σταθεροποιώντας το συσσωμάτωμα. Αυτή η σταθερότητα επιτρέπει στο συσσωμάτωμα να λειτουργήσει ως πυρήνας για περαιτέρω ανάπτυξη.
• Φάση ανάπτυξης: Κατά την ανάπτυξη, επιπλέον άτομα αργύρου διαχέονται μέσα στο διάλυμα και προσκολλώνται στην επιφάνεια του αναπτυσσόμενου νανοσωματιδίου. Η ανάπτυξη συνεχίζεται έως ότου η συγκέντρωση του διαλυμένου αργύρου πέσει κάτω από το κατώφλι πυρηνοποίησης, οπότε σταματά ο σχηματισμός νέων πυρήνων.
• Διάχυση και ολοκλήρωση: Ο διαλυμένος άργυρος που απομένει ενσωματώνεται στα υπάρχοντα νανοσωματίδια, ολοκληρώνοντας τη διαδικασία.

Η κατεργασία με υπερήχους επιταχύνει τη μεταφορά μάζας, ιδιαίτερα τις διεργασίες διαβροχής και διάχυσης, οδηγώντας σε ταχύτερη πυρηνοποίηση και ελεγχόμενη ανάπτυξη. Με την ακριβή ρύθμιση των παραμέτρων κατεργασίας με υπερήχους, όπως η ένταση και η διάρκεια, μπορούν να ρυθμιστούν με μεγάλη ακρίβεια το μέγεθος, ο ρυθμός ανάπτυξης και το σχήμα των νανοσωματιδίων. Αυτός ο ακριβής έλεγχος εξασφαλίζει σταθερά επαναλαμβανόμενες δομές νανοσωματιδίων, προσαρμοσμένες σε συγκεκριμένες εφαρμογές.

Η σύνθεση υποβοηθούμενη από υπερήχους ξεχωρίζει ως μια αποτελεσματική, κλιμακώσιμη προσέγγιση πράσινης χημείας για την παραγωγή νανοαργύρου με σαφώς καθορισμένες ιδιότητες, προσφέροντας σημαντικά πλεονεκτήματα για ποικίλες εφαρμογές στην έρευνα και τη βιομηχανία.

Κάντε κλικ εδώ για να διαβάσετε περισσότερα σχετικά με μια άλλη πράσινη μέθοδο σύνθεσης νανοαργύρου με υπερήχους, με χρήση καραγενάνης!

Η κατεργασία με υπερήχους διευκολύνει την ταχεία, πράσινη σύνθεση μικρών νανοσωματιδίων αργύρου με στενή κατανομή μεγέθους.

Μελέτη περίπτωσης σύνθεσης νανοαργύρου με υπερήχους

Η μελέτη με τίτλο «Σύνθεση νανοσωματιδίων αργύρου με βάση το μέλι και με υποβοήθηση υπερήχων και οι αντιβακτηριακές τους δράσεις» των Oskuee et al. (2016) διερευνά μια απλή και φιλική προς το περιβάλλον μέθοδο σύνθεσης νανοσωματιδίων αργύρου (Ag-NPs), χρησιμοποιώντας φυσικό μέλι τόσο ως αναγωγικό όσο και ως σταθεροποιητικό παράγοντα. Η διαδικασία, η οποία περιλαμβάνει την αναγωγή νιτρικού αργύρου (AgNO₃) υπό υπερηχητική ακτινοβόληση, χαρακτηρίζεται από διάφορες παραμέτρους, όπως η συγκέντρωση ιόντων αργύρου, η συγκέντρωση μελιού και ο χρόνος κατεργασίας με υπερήχους. Τα προκύπτοντα Ag-NPs έχουν μέσο μέγεθος περίπου 11,8 nm και παρουσιάζουν αντιβακτηριακές ιδιότητες έναντι παθογόνων βακτηρίων όπως τα Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa και E. coli.
Η μελέτη αναδεικνύει τα οφέλη της χρήσης μελιού στη σύνθεση νανοσωματιδίων, τονίζοντας τον φιλικό προς το περιβάλλον, χαμηλού κόστους και μη τοξικό χαρακτήρα του. Οι συγγραφείς καταδεικνύουν ότι το μέγεθος και η απόδοση παραγωγής των Ag-NPs μπορούν να ελεγχθούν με προσαρμογή παραμέτρων της αντίδρασης, όπως η συγκέντρωση αργύρου, η περιεκτικότητα σε μέλι και η διάρκεια κατεργασίας με υπερήχους. Αποδείχθηκε ότι τα συντεθειμένα Ag-NPs διαθέτουν αποτελεσματική αντιβακτηριακή δράση, ιδιαίτερα έναντι των E. coli και S. aureus, με ελάχιστες ανασταλτικές συγκεντρώσεις (MIC) περίπου 19,46 ppm. Η μέθοδος αυτή υποδεικνύει μια δυνητική εφαρμογή των Ag-NPs σε ιατρικούς τομείς, όπως η επούλωση τραυμάτων και ο έλεγχος λοιμώξεων.

• Υλικά: νιτρικός άργυρος (AgNO₃) ως πρόδρομη ένωση αργύρου· μέλι ως παράγοντας επιφανειακής επικάλυψης / αναγωγικός παράγοντας· νερό
• Συσκευή υπερήχων: Συσκευή υπερήχων με καθετήρα UP400St

Πρωτόκολλο σύνθεσης με υπερήχους

Οι βέλτιστες συνθήκες για τη σύνθεση κολλοειδών νανοσωματιδίων αργύρου διαπιστώθηκε ότι ήταν οι ακόλουθες: Αναγωγή νιτρικού αργύρου με κατεργασία με υπερήχους και με τη μεσολάβηση φυσικού μελιού. Συνοπτικά, 20 ml διαλύματος νιτρικού αργύρου (0,3 M) που περιείχε μέλι (20 wt%) εκτέθηκαν σε υπερηχητική ακτινοβόληση υψηλής έντασης υπό συνθήκες περιβάλλοντος για 30 min. Η κατεργασία με υπερήχους πραγματοποιήθηκε με τη συσκευή υπερήχων με καθετήρα UP400S (400W, 24 kHz), ο οποίος εμβαπτίστηκε απευθείας στο διάλυμα της αντίδρασης.
Το μέλι ποιότητας τροφίμων χρησιμοποιείται ως παράγοντας επιφανειακής επικάλυψης / σταθεροποίησης και ως αναγωγικός παράγοντας, γεγονός που καθιστά το υδατικό διάλυμα πυρήνωσης και τα κατακρημνισμένα νανοσωματίδια καθαρά και ασφαλή για ποικίλες εφαρμογές.
Καθώς αυξάνεται ο χρόνος κατεργασίας με υπερήχους, τα νανοσωματίδια αργύρου γίνονται μικρότερα και η συγκέντρωσή τους αυξάνεται.
Στο υδατικό διάλυμα μελιού, η κατεργασία με υπερήχους αποτελεί βασικό παράγοντα που επηρεάζει τον σχηματισμό νανοσωματιδίων αργύρου. Οι παράμετροι κατεργασίας με υπερήχους, όπως το πλάτος ταλάντωσης, ο χρόνος και η χρήση συνεχών έναντι παλμικών υπερήχων, είναι κύριοι παράγοντες που επιτρέπουν τον έλεγχο του μεγέθους και της ποσότητας των νανοσωματιδίων αργύρου.

Κατανομή μεγέθους σωματιδίων των Ag-NPs που συντέθηκαν υπό βέλτιστες συνθήκες· συγκεντρώσεις αργύρου (0,3 M), συγκεντρώσεις μελιού (20 wt%) και χρόνοι υπερηχητικής ακτινοβόλησης (30 min)
πηγή εικόνας: ©Oskuee et al. 2016

Αποτέλεσμα της σύνθεσης νανοσωματιδίων αργύρου με υπερήχους

Η σύνθεση με τη μεσολάβηση μελιού και την ενίσχυση υπερήχων με τη συσκευή υπερήχων UP400St οδήγησε σε σφαιρικά νανοσωματίδια αργύρου (Ag-NPs) με μέσο μέγεθος σωματιδίων περίπου 11,8nm. Η σύνθεση νανοσωματιδίων αργύρου με υπερήχους είναι μια απλή και ταχεία μέθοδος σε ένα μόνο δοχείο αντίδρασης. Η χρήση νερού και μελιού ως υλικών καθιστά την αντίδραση οικονομικά αποδοτική και εξαιρετικά φιλική προς το περιβάλλον.
Η παρουσιαζόμενη τεχνική σύνθεσης με υπερήχους, η οποία χρησιμοποιεί μέλι ως αναγωγικό παράγοντα και παράγοντα επιφανειακής επικάλυψης, μπορεί να επεκταθεί σε άλλα ευγενή μέταλλα, όπως ο χρυσός, το παλλάδιο και ο χαλκός, προσφέροντας ποικίλες πρόσθετες εφαρμογές από την ιατρική έως τη βιομηχανία.

Κατανομή μεγέθους σωματιδίων των Ag-NPs που συντέθηκαν υπό βέλτιστες συνθήκες· συγκεντρώσεις αργύρου (0,3 M), συγκεντρώσεις μελιού (20 wt%) και χρόνος υπερηχητικής ακτινοβόλησης (30 min)
Μελέτη και εικόνα: ©Oskuee et al. 2016

Επίδραση στην πυρήνωση και στο μέγεθος των σωματιδίων μέσω κατεργασίας με υπερήχους

Οι υπέρηχοι επιτρέπουν την παραγωγή νανοσωματιδίων, όπως τα νανοσωματίδια αργύρου, προσαρμοσμένων στις απαιτήσεις. Τρεις γενικές επιλογές κατεργασίας με υπερήχους επηρεάζουν σημαντικά το αποτέλεσμα:
Αρχική κατεργασία με υπερήχους: Η σύντομη εφαρμογή υπερηχητικών κυμάτων σε ένα υπέρκορο διάλυμα μπορεί να εκκινήσει τη δημιουργία φύτρων και τον σχηματισμό πυρήνων. Καθώς η κατεργασία με υπερήχους εφαρμόζεται μόνο κατά το αρχικό στάδιο, η επακόλουθη ανάπτυξη των κρυστάλλων προχωρά ανεμπόδιστα, με αποτέλεσμα μεγαλύτερους κρυστάλλους.
Συνεχής κατεργασία με υπερήχους: Η συνεχής ακτινοβόληση του υπέρκορου διαλύματος οδηγεί σε μικρούς κρυστάλλους, καθώς η αδιάκοπη κατεργασία με υπερήχους δημιουργεί πολλούς πυρήνες, με αποτέλεσμα την ανάπτυξη πολλών μικρών κρυστάλλων.
Παλμική κατεργασία με υπερήχους: Οι παλμικοί υπέρηχοι σημαίνουν την εφαρμογή υπερήχων σε καθορισμένα χρονικά διαστήματα. Η επακριβώς ελεγχόμενη εισαγωγή ενέργειας υπερήχων επιτρέπει την επίδραση στην ανάπτυξη των κρυστάλλων, ώστε να επιτευχθεί μέγεθος κρυστάλλων προσαρμοσμένο στις απαιτήσεις.

Συσκευές υπερήχων υψηλών επιδόσεων για τη σύνθεση νανοσωματιδίων

Η Hielscher Ultrasonics προσφέρει αξιόπιστους επεξεργαστές υπερήχων υψηλής ισχύος, σχεδιασμένους για προηγμένες ηχοχημικές εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένης της σύνθεσης και της κατάλυσης με υπερήχους. Η ανάμειξη και η διασπορά με υπερήχους ενισχύουν σημαντικά τη μεταφορά μάζας, προάγουν τη διαβροχή των συσσωματωμάτων ατόμων και διευκολύνουν την επακόλουθη πυρηνοποίησή τους, οδηγώντας στην αποδοτική καταβύθιση νανοσωματιδίων. Η σύνθεση με υπερήχους αναγνωρίζεται ως μια απλή, οικονομικά αποδοτική, βιοσυμβατή, αναπαραγώγιμη, ταχεία και ασφαλής μέθοδος για την παραγωγή νανοϋλικών υψηλής ποιότητας. (Διαβάστε περισσότερα για την ηχοχημική σύνθεση περοβσκίτη και νανοδομών ZnO!)

Οι συσκευές υπερήχων της Hielscher έχουν σχεδιαστεί για ακριβή έλεγχο, επιτρέποντας βέλτιστες συνθήκες για την πυρηνοποίηση και την ανάπτυξη νανοϋλικών. Αυτές οι ψηφιακές συσκευές διαθέτουν έξυπνο λογισμικό, έγχρωμη οθόνη αφής και εύχρηστο μενού για ασφαλή και φιλική προς τον χρήστη λειτουργία. Επιπλέον, διαθέτουν αυτόματη καταγραφή δεδομένων σε ενσωματωμένη κάρτα SD, εξασφαλίζοντας απρόσκοπτη τεκμηρίωση της διεργασίας.

Με μια ολοκληρωμένη γκάμα συστημάτων – από συσκευές υπερήχων χειρός μικρών διαστάσεων ισχύος 50 watt για εργαστηριακή χρήση έως ανθεκτικά βιομηχανικά συστήματα ισχύος 16.000 watt – η Hielscher παρέχει την ιδανική λύση υπερήχων για κάθε εφαρμογή. Σχεδιασμένος για αντοχή, ο εξοπλισμός υπερήχων της Hielscher είναι κατασκευασμένος για συνεχή λειτουργία υπό συνθήκες υψηλής καταπόνησης, ακόμη και σε απαιτητικά περιβάλλοντα, εξασφαλίζοντας αξιόπιστη απόδοση 24/7.
Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση δυναμικότητας επεξεργασίας των συσκευών υπερήχων μας:

Σύγκριση συμβατικών μεθόδων και μεθόδων πράσινης σύνθεσης για τη σύνθεση νανοσωματιδίων.