Vía sonoquímica verde para obtener nanopartículas de plata
Las nanopartículas de plata (AgNPs) son nanomateriales utilizados con frecuencia por sus propiedades antimicrobianas, sus propiedades ópticas y su elevada conductividad eléctrica. La vía sonoquímica que utiliza carragenina kappa es un método de síntesis sencillo, práctico y respetuoso con el medio ambiente para preparar nanopartículas de plata. La κ-carragenina se utiliza como estabilizante natural y ecológico, mientras que los ultrasonidos de potencia actúan como agente reductor verde.
La química verde requiere un control preciso de los parámetros. Nuestros ingenieros especializados en nanomateriales le ayudarán a seleccionar el sonotrodo, la geometría del reactor y los ajustes de potencia adecuados para maximizar el rendimiento, controlar la morfología de las partículas y garantizar el pleno cumplimiento de los principios de la química verde.
Ag+/κ-carragenina (izquierda) y Ag/κ-carragenina sonicada (derecha). La sonicación se realizó con el UP400S durante 90 min.
[Elsupikhe et al. 2015]
Síntesis ultrasónica verde de nanopartículas de plata
Elsupikhe et al. (2015) han desarrollado una vía de síntesis verde asistida por ultrasonidos para preparar nanopartículas de plata (AgNPs). La sonoquímica es bien conocida por favorecer numerosas reacciones químicas en medio líquido. La sonicación permite sintetizar AgNPs con κ-carragenina como estabilizante natural. La reacción transcurre a temperatura ambiente y produce nanopartículas de plata con estructura cristalina cúbica centrada en las caras (fcc), sin impurezas. La concentración de κ-carragenina puede influir en la distribución del tamaño de las partículas de las AgNPs.
Esquema de la interacción entre los grupos cargados de las Ag-NPs recubiertas con κ-carragenina durante la sonicación. [Elsupikhe et al. 2015]
Procedimiento: síntesis sostenible de nanopartículas de plata
- Las Ag-NPs se sintetizaron mediante la reducción de AgNO3 mediante ultrasonidos en presencia de κ-carragenina. Para obtener diferentes muestras, se prepararon cinco suspensiones añadiendo 10 mL de 0,1 M AgNO3 a 40-mL de κ-carragenina. Las soluciones de κ-carragenina utilizadas fueron de 0,1, 0,15, 0,20, 0,25 y 0,3 wt%, respectivamente.
- Las soluciones se agitaron durante 1h para obtener AgNO3/κ-carragenina.
- A continuación, las muestras se sometieron a una intensa irradiación ultrasónica: la amplitud del dispositivo ultrasónico UP400S (400 W, 24 kHz) se ajustó al 50%. La sonicación se aplicó durante 90 min a temperatura ambiente. El sonotrodo de los procesadores ultrasónicos de líquidos UP400S se sumergió directamente en la solución de reacción.
- Tras la sonicación, las suspensiones se centrifugaron durante 15 min y se lavaron cuatro veces con agua bidestilada para eliminar los iones de plata residuales. Las nanopartículas precipitadas se secaron a 40 °C al vacío durante toda la noche para obtener las Ag-NPs.
Ecuación
- nH₂O —sonicación–> +H + OH
- OH + RH –> R + H₂O
- AgNo₃–hidrólisis–> Ag+ + NO₃–
- R + Ag+ —> Ag° + R’ + H+
- Ag+ + H –reducciones–> Ag°
- Ag+ + H2O —> Ag° + OH + H+
Análisis y resultados: nanopartículas de plata sintetizadas mediante ultrasonidos
Para evaluar los resultados, las muestras se analizaron mediante espectroscopia UV-visible, difracción de rayos X, análisis químico por FT-IR e imágenes TEM y SEM.
El número de Ag-NPs aumentó al incrementarse las concentraciones de κ-carragenina. La formación de Ag/κ-carragenina se determinó mediante espectroscopia UV-visible, en la que se observó el máximo de absorción del plasmón de superficie entre 402 y 420 nm. El análisis de difracción de rayos X (XRD) mostró que las Ag-NPs presentan una estructura cúbica centrada en las caras. El espectro infrarrojo por transformada de Fourier (FT-IR) indicó la presencia de Ag-NPs en la κ-carragenina. La imagen de microscopía electrónica de transmisión (TEM) correspondiente a la concentración más alta de κ-carragenina mostró la distribución de las Ag-NPs, con un tamaño medio de partícula cercano a 4,21 nm. Las imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) mostraron la forma esférica de las Ag-NPs. El análisis SEM muestra que, al aumentar la concentración de κ-carragenina, se produjeron cambios en la superficie de Ag/κ-carragenina, de modo que se obtuvieron Ag-NPs de pequeño tamaño y forma esférica.
Imágenes TEM y distribuciones de tamaño correspondientes a Ag/κ-carragenina sintetizada por vía sonoquímica a diferentes concentraciones de κ-carragenina. [0,1%, 0,2% y 0,3%, respectivamente (a, b, c)].
UP400S – el dispositivo ultrasónico utilizado para la síntesis sonoquímica de nanopartículas de Ag
Bibliografía/Referencias
- Elsupikhe, Randa Fawzi; Shameli, Kamyar; Ahmad, Mansor B; Ibrahim, Nor Azowa; Zainudin, Norhazlin (2015): Green sonochemical synthesis of silver nanoparticles at varying concentrations of κ-carrageenan. Nanoscale Research Letters 10. 2015.
- Reza Kazemi Oskuee, Azhar Banikamali, Bibi Sedigheh Fazly Bazzaz, Hasan Ali Hosseini, and Majid Darroudi (2016): Honey-Based and Ultrasonic-Assisted Synthesis of Silver Nanoparticles and Their Antibacterial Activities. Journal of Nanoscience and Nanotechnology Vol. 16, 7989–7993, 2016.
- Bose, Rahul & Roychoudhury, Piya & Pal, Ruma (2021): In-situ green synthesis of fluorescent silica–silver conjugate nanodendrites using nanoporous frustules of diatoms: an unprecedented approach. Bioprocess and Biosystems Engineering 44, 2021
- I. De La Calle, N. Cabaleiro, M. Costas, F. Pena, S. Gil, I. Lavilla, C. Bendicho (2011): Ultrasound-assisted extraction of gold and silver from environmental samples using different extractants followed by electrothermal-atomic absorption spectrometry. Microchemical Journal, Volume 97, Issue 2, 2011. 93-100.
Preguntas frecuentes: síntesis sonoquímica verde de nanopartículas de plata
¿Cómo mejoran los ultrasonidos la síntesis verde de nanopartículas de plata?
Los ultrasonidos generan cavitación acústica, creando puntos calientes localizados que reducen rápidamente los iones de plata mediante agentes respetuosos con el medio ambiente. Este proceso sonoquímico acelera la cinética de reacción, favorece una nucleación uniforme y permite controlar con precisión el tamaño y la forma de las partículas – todo ello sin sustancias químicas agresivas ni un elevado aporte de energía térmica.
¿Cuáles son las principales ventajas de una vía sonoquímica verde para obtener AgNPs?
La síntesis sonoquímica verde combina ultrasonidos con agentes reductores y de recubrimiento biocompatibles (como extractos vegetales, azúcares o polímeros) para producir nanopartículas de plata no tóxicas e inocuas para el medio ambiente. El método reduce el consumo de energía, acorta el tiempo de síntesis, elimina los subproductos peligrosos y permite obtener nanopartículas muy estables con una distribución de tamaño uniforme.
¿Pueden los ultrasonidos controlar el tamaño y la morfología de las nanopartículas de plata?
Sí. Al ajustar la amplitud ultrasónica, la frecuencia, la densidad de potencia y el tiempo de sonicación, los fabricantes pueden regular con precisión las velocidades de nucleación y crecimiento. Esto permite producir de forma reproducible AgNPs de 5–100 nm con diversas formas (esferas, cubos, placas triangulares), adaptadas a aplicaciones biomédicas, electrónicas o industriales específicas.
¿Puede ampliarse la escala de la síntesis ultrasónica verde para la producción industrial de AgNPs?
Por supuesto. Los procesadores ultrasónicos industriales admiten reactores de flujo continuo que permiten pasar sin dificultades de lotes de laboratorio a la producción a escala industrial. La sonicación en línea garantiza una distribución uniforme de la cavitación, la monitorización del proceso en tiempo real y la uniformidad entre lotes, lo que la hace ideal para la fabricación de AgNPs en grandes volúmenes y de forma respetuosa con el medio ambiente.
¿Qué agentes reductores verdes funcionan mejor en la síntesis ultrasónica de nanopartículas de plata?
Entre los agentes eficaces y respetuosos con el medio ambiente se incluyen extractos vegetales (p. ej., aloe, té verde, cáscaras de cítricos), carbohidratos, aminoácidos, proteínas y polímeros biodegradables. Los ultrasonidos mejoran su eficacia reductora y estabilizante, lo que permite sustituir por completo las sustancias químicas sintéticas manteniendo un alto rendimiento, la estabilidad coloidal y las prestaciones funcionales.
¿Cómo se compara la síntesis sonoquímica con los métodos químicos tradicionales para obtener AgNPs?
Las vías químicas convencionales suelen utilizar agentes reductores tóxicos (p. ej., borohidruro de sodio) y valores extremos de pH, y generan residuos peligrosos. La síntesis sonoquímica verde utiliza materiales seguros y renovables, funciona a temperatura ambiente o a temperaturas moderadas, reduce considerablemente el tiempo de procesamiento y produce nanopartículas más limpias y biocompatibles, con una mejor dispersión y una mayor vida útil.
¿Qué sectores se benefician de las nanopartículas de plata obtenidas mediante síntesis ultrasónica verde?
Las AgNPs sintetizadas mediante métodos sonoquímicos verdes se utilizan ampliamente en recubrimientos antimicrobianos, productos sanitarios, cuidado de heridas, filtración de agua, electrónica flexible y envases sostenibles. Su producción respetuosa con el medio ambiente garantiza el cumplimiento de estrictas normas ambientales y de seguridad, a la vez que ofrece un alto rendimiento y aceptación por parte de las autoridades reguladoras.
¿Qué son las nanopartículas de plata?
Las nanopartículas de plata se caracterizan por un tamaño comprendido entre 1 nm y 100 nm. Aunque suelen describirse como partículas de «plata», algunas están compuestas por un elevado porcentaje de óxido de plata debido a la alta proporción de átomos de plata en la superficie respecto a los del interior. Las nanopartículas de plata pueden presentar diferentes estructuras. Lo más habitual es sintetizar nanopartículas de plata esféricas, aunque también se utilizan formas de diamante, octagonales y láminas delgadas.
Las nanopartículas de plata se utilizan con mucha frecuencia en aplicaciones médicas. Los iones de plata son bioactivos y tienen potentes efectos antimicrobianos y germicidas. Su enorme superficie permite la coordinación de numerosos ligandos. Otras características importantes son la conductividad y sus propiedades ópticas únicas.
Por sus propiedades conductoras, las nanopartículas de plata se incorporan a menudo en materiales compuestos, plásticos, resinas epoxi y adhesivos. Las partículas de plata aumentan la conductividad eléctrica; por ello, las pastas y tintas de plata se utilizan con frecuencia en la fabricación de productos electrónicos. Dado que las nanopartículas de plata admiten plasmones de superficie, las AgNPs presentan propiedades ópticas excepcionales. Las nanopartículas de plata plasmónicas se utilizan en sensores, detectores y equipos analíticos, como los empleados en la espectroscopia Raman amplificada por superficie (SERS) y la espectroscopia de fluorescencia amplificada por el campo de plasmones de superficie (SPFS).
¿Qué es la carragenina?
La carragenina es un polímero natural económico que se encuentra en diversas especies de algas rojas. Las carrageninas son polisacáridos sulfatados lineales ampliamente utilizados en la industria alimentaria por sus propiedades gelificantes, espesantes y estabilizantes. Su principal aplicación se encuentra en los productos lácteos y cárnicos, debido a su fuerte unión a las proteínas alimentarias. Existen tres variedades principales de carragenina, que difieren en su grado de sulfatación. La carragenina kappa tiene un grupo sulfato por disacárido. La carragenina iota (ι-carragenina) tiene dos sulfatos por disacárido. La carragenina lambda (λ-carragenina) tiene tres sulfatos por disacárido.
La carragenina kappa (κ-carragenina) presenta una estructura lineal de polisacárido sulfatado de D-galactosa y 3,6-anhidro-D-galactosa.
La κ-carragenina se utiliza ampliamente en la industria alimentaria, p. ej., como agente gelificante y para modificar la textura. Puede encontrarse como aditivo en helados, nata, queso cottage, batidos de leche, aliños para ensaladas, leches condensadas azucaradas, leche de soja y otras leches vegetales, y salsas para aumentar la viscosidad del producto.
Además, la κ-carragenina puede encontrarse en productos no alimentarios: como espesante en champús y cremas cosméticas; en dentífricos (como estabilizante para evitar la separación de los componentes); en espumas contra incendios (como espesante para hacer que la espuma sea adherente); en geles ambientadores; en betunes para calzado (para aumentar la viscosidad); en biotecnología para inmovilizar células/enzimas; en productos farmacéuticos (como excipiente inactivo en píldoras/comprimidos); en alimentos para mascotas, etc.
Imágenes SEM de Ag/κ-carragenina a diferentes concentraciones de κ-carragenina. [0,1%, 0,2% y 0,3 %, respectivamente (a, b, c)]. [Elsupikhe et al. 2015]