Ruta sonoquímica para la producción verde de nanopartículas de plata
Las nanopartículas de plata (AgNPs) son nanomateriales frecuentemente utilizados por sus propiedades antimicrobianas, ópticas y su elevada conductividad eléctrica. La ruta sonoquímica empleando kappa-carragenina es un método de síntesis sencillo, cómodo y respetuoso con el medio ambiente para la preparación de nanopartículas de plata. La κ-carragenina se utiliza como estabilizador natural respetuoso con el medio ambiente, mientras que el ultrasonido de potencia actúa como agente reductor ecológico.
La química verde requiere un control preciso de los parámetros. Nuestros ingenieros especializados en nanomateriales le ayudarán a seleccionar el sonotrodo adecuado, la geometría del reactor y los ajustes de potencia 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 sometida a sonicación (derecha). La sonicación se llevó a cabo con el UP400S durante 90 minutos.
[Elsupikhe et al., 2015]
Síntesis ultrasónica ecológica de nanopartículas de plata
Elsupikhe et al. (2015) han desarrollado una ruta de síntesis ecológica asistida por ultrasonidos para la preparación de nanopartículas de plata (AgNPs). La sonoquímica es bien conocida por promover muchas reacciones de química húmeda. La sonicación permite sintetizar AgNPs con κ-carragenano como estabilizador natural. La reacción se lleva a cabo a temperatura ambiente y produce nanopartículas de plata con estructura cristalina fcc sin impurezas. La distribución del tamaño de partícula de las AgNPs puede verse influida por la concentración de κ-carragenano.
Esquema de interacción entre los grupos cargados de las Ag-NPs que están recubiertas con κ-carragenano bajo sonicación. [Elsupikhe et al. 2015].
Procedimiento: Síntesis sostenible de nanopartículas de plata
- Las Ag-NPs se sintetizaron reduciendo AgNO3 utilizando ultrasonidos en presencia de κ-carragenano. Para obtener diferentes muestras, se prepararon cinco suspensiones, añadiendo 10 mL de AgNO3 a 40 ml de κ-carragenano. Las soluciones de κ-carragenano utilizadas fueron de 0,1, 0,15, 0,20, 0,25 y 0,3% en peso, respectivamente.
- Las soluciones se agitaron durante 1 h para obtener AgNO3/κ-carrageenan.
- A continuación, las muestras se expusieron a una intensa irradiación ultrasónica: La amplitud del dispositivo ultrasónico UP400S (400W, 24kHz) se ajustó al 50%. La sonicación se aplicó durante 90 minutos 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 minutos y se lavaron con agua bidestilada cuatro veces para eliminar los residuos de iones de plata. Las nanopartículas precipitadas se secaron a 40 °C al vacío durante toda la noche para obtener las Ag-NPs.
Ecuación
- sin agua —Sonicación–> +H + OH
- OH + RH –> R + H₂O
- No₃–hidrólisis–> Ag⁺ + NO₃–
- R + Ag+ —> Ag° + R’ + H+
- Ag+ + H –reducciones–> Ag°
- Ag+ + H2O —> Ag° + OH + H+
Análisis y resultados: nanopartículas de plata sintetizadas por ultrasonidos
Para evaluar los resultados, las muestras se analizaron mediante análisis espectroscópico UV-visible, difracción de rayos X, análisis químico FT-IR e imágenes TEM y SEM.
El número de nanopartículas de plata (Ag-NP) 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 superficial entre 402 y 420 nm. El análisis por difracción de rayos X (XRD) mostró que las nanopartículas de plata (Ag-NPs) presentan una estructura cúbica centrada en las caras. El espectro de infrarrojos por transformada de Fourier (FT-IR) indicó la presencia de nanopartículas de plata (Ag-NPs) en el κ-carragenano. La imagen de microscopía electrónica de transmisión (TEM) correspondiente a la concentración más alta de κ-carragenano mostró la distribución de las nanopartículas de plata con un tamaño medio de partícula cercano a los 4,21 nm. Las imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) ilustraron la forma esférica de las nanopartículas de plata. El análisis SEM muestra que, al aumentar la concentración de carragenina κ, se produjeron cambios en la superficie del Ag/carragenina κ, de modo que se obtuvieron nanopartículas de plata de pequeño tamaño y forma esférica.
Imágenes TEM y distribuciones de tamaño correspondientes para Ag/κ-carragenano sintetizado sonoquímicamente a diferentes concentraciones de κ-carragenano. [0,1%, 0,2% y 0,3%, respectivamente (a, b, c)].
UP400S – el dispositivo ultrasónico utilizado para la síntesis sonoquímica de nanopartículas de Ag
Literatura/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 ecológica de nanopartículas de plata
¿Cómo mejora el ultrasonido la síntesis ecológica de nanopartículas de plata?
Los ultrasonidos provocan 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 la reacción, favorece una nucleación uniforme y permite un control preciso del tamaño y la forma de las partículas, todo ello sin productos químicos agresivos ni elevada energía térmica.
¿Cuáles son las principales ventajas de una vía sonoquímica ecológica para la producción de nanopartículas de plata (AgNPs)?
La síntesis sonoquímica ecológica combina el ultrasonido con agentes reductores y de recubrimiento biocompatibles (como extractos vegetales, azúcares o polímeros) para producir nanopartículas de plata no tóxicas y respetuosas con el medio ambiente. Este método reduce el consumo de energía, acorta el tiempo de síntesis, elimina los subproductos peligrosos y permite obtener nanopartículas muy estables con una distribución granulométrica uniforme.
¿Puede el ultrasonido 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 tasas de nucleación y crecimiento. Esto permite la producción reproducible de nanopartículas de plata (AgNPs) de entre 5 y 100 nm en diversas formas (esferas, cubos, placas triangulares), adaptadas a aplicaciones biomédicas, electrónicas o industriales específicas.
¿Es escalable la síntesis ecológica por ultrasonidos para la producción industrial de nanopartículas de plata (AgNP)?
Por supuesto. Los procesadores ultrasónicos industriales admiten reactores de flujo continuo que se adaptan a la perfección desde lotes de laboratorio hasta la producción a gran escala. La sonicación en línea garantiza una distribución uniforme de la cavitación, la supervisión del proceso en tiempo real y la uniformidad entre lotes, lo que la convierte en la solución ideal para la fabricación de AgNP a gran escala y respetuosa con el medio ambiente.
¿Qué agentes reductores ecológicos funcionan mejor en la síntesis ultrasónica de nanopartículas de plata?
Entre los agentes ecológicos eficaces se incluyen los extractos botánicos (por ejemplo, aloe, té verde, cáscaras de cítricos), los hidratos de carbono, los aminoácidos, las proteínas y los polímeros biodegradables. Los ultrasonidos potencian su eficacia reductora y estabilizadora, lo que permite sustituir por completo los productos químicos sintéticos sin renunciar a un alto rendimiento, a la estabilidad coloidal ni al rendimiento funcional.
¿En qué se diferencia la síntesis sonoquímica de los métodos químicos tradicionales para la obtención de nanopartículas de plata (AgNPs)?
Las vías químicas convencionales suelen recurrir a reductores tóxicos (por ejemplo, el borohidruro de sodio) y a valores extremos de pH, además de generar residuos peligrosos. La síntesis sonoquímica ecológica utiliza materiales seguros y renovables, se lleva a cabo a temperatura ambiente o a temperaturas moderadas, reduce considerablemente el tiempo de procesamiento y produce nanopartículas más limpias y biocompatibles, con una dispersión y una vida útil superiores.
¿Qué sectores se benefician de las nanopartículas de plata ultrasonicas ecológicas?
Las nanopartículas de plata (AgNPs) sintetizadas mediante métodos sonoquímicos ecológicos se utilizan ampliamente en recubrimientos antimicrobianos, dispositivos médicos, el tratamiento de heridas, la filtración de agua, la electrónica flexible y los envases sostenibles. Su producción respetuosa con el medio ambiente garantiza el cumplimiento de estrictas normas medioambientales y de seguridad, al tiempo que ofrece un alto rendimiento y la aceptación normativa.
¿Qué son las nanopartículas de plata?
Las nanopartículas de plata se caracterizan por un tamaño de entre 1 nm y 100 nm. Aunque con frecuencia se describen como "plata’ Algunas están compuestas por un gran porcentaje de óxido de plata debido a su gran proporción de átomos de plata superficiales con respecto a la masa. Las nanopartículas de plata pueden aparecer con diferentes estructuras. Lo más habitual es sintetizar nanopartículas de plata esféricas, pero también se utilizan romboidales, octogonales y láminas finas.
Las nanopartículas de plata son muy frecuentes en aplicaciones médicas. Los iones de plata son bioactivos y tienen fuertes efectos antimicrobianos y germicidas. Su amplísima superficie permite la coordinación de numerosos ligandos. Otras características importantes son su conductividad y sus propiedades ópticas únicas.
Por sus características conductoras, las nanopartículas de plata se incorporan a menudo a compuestos, plásticos, epoxis y adhesivos. Las partículas de plata aumentan la conductividad eléctrica, por lo que las pastas y tintas de plata se utilizan con frecuencia en la fabricación de productos electrónicos. Dado que las nanopartículas de plata soportan plasmones superficiales, las AgNP tienen propiedades ópticas extraordinarias. Las nanopartículas de plata plasmónicas se utilizan para sensores, detectores y equipos analíticos como la espectroscopia Raman mejorada en superficie (SERS) y la espectroscopia de fluorescencia mejorada en campo plasmónico superficial (SPFS).
¿Qué es el carragenano?
La carragenina es un polímero natural barato que se encuentra en varias especies de algas rojas. Los carragenanos son polisacáridos sulfatados lineales muy utilizados en la industria alimentaria por sus propiedades gelificantes, espesantes y estabilizantes. Su principal aplicación es en productos lácteos y cárnicos, debido a su fuerte unión a las proteínas alimentarias. Existen tres variedades principales de carragenano, que difieren en su grado de sulfatación. El kappa-carragenano tiene un grupo sulfato por disacárido. Iota-carragenano (ι-carragenano) tiene dos sulfatos por disacárido. La lambda-carragenina (λ-carragenina) posee tres sulfatos por disacárido.
La kappa carragenina (κ-carragenina) tiene 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, por ejemplo como agente gelificante y para modificar la textura. Se puede encontrar como aditivo en helados, nata, requesón, batidos, aliños para ensaladas, leches condensadas azucaradas, leche de soja & 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 que se separen los componentes), espumas contra incendios (como espesante para que la espuma se vuelva pegajosa), geles ambientadores, betún de zapatos (para aumentar la viscosidad), en biotecnología para inmovilizar células/enzimas, en productos farmacéuticos (como excipiente inactivo en píldoras/tabletas), en alimentos para mascotas, etc.
Imágenes SEM para Ag/κ-carragenano a diferentes concentraciones de κ-carragenano. [0,1%, 0,2% y 0,3%, respectivamente (a, b, c)]. [Elsupikhe et al. 2015].