Síntesis de nanoplata con miel y ultrasonidos
La nanoplata se utiliza por sus propiedades antibacterianas para reforzar materiales en medicina y ciencia de materiales. La ultrasonicación permite sintetizar nanopartículas esféricas de plata en agua de forma rápida, eficaz, segura y respetuosa con el medio ambiente. La síntesis ultrasónica de nanopartículas puede escalarse fácilmente desde la producción a pequeña escala hasta la producción a gran escala.
Síntesis de nanoplata coloidal asistida por ultrasonidos
La síntesis sonoquímica, que hace referencia a las reacciones químicas facilitadas por la irradiación ultrasónica, es un método ampliamente utilizado para producir nanopartículas. Entre ellas se incluyen las de plata, oro, magnetita, hidroxiapatita, perovskita, látex y muchos otros nanomateriales.
Síntesis química por vía húmeda mediante ultrasonidos
Se han desarrollado múltiples vías de síntesis asistida por ultrasonidos para producir nanopartículas de plata. Un método destacado emplea miel como agente reductor y de recubrimiento superficial. Los componentes de la miel, como la glucosa y la fructosa, actúan de forma sinérgica en estas funciones durante el proceso de síntesis.
Al igual que muchas técnicas de síntesis de nanopartículas, la síntesis ultrasónica de nanoplata pertenece a la categoría de la química por vía húmeda. El proceso comienza con la nucleación de nanopartículas de plata en una solución. Durante la sonicación, un precursor de plata (p. ej., nitrato de plata (AgNO3), o perclorato de plata (AgClO4)) se reduce en presencia de un agente reductor, como la miel, para producir plata coloidal.
Mecanismo de nucleación y crecimiento de la plata mediante ultrasonidos
Fase inicial de nucleación: A medida que aumenta la concentración de iones de plata disueltos, los iones de plata metálica comienzan a unirse para formar pequeños agregados. En esta etapa, estos agregados son energéticamente inestables debido a un balance energético negativo. La energía necesaria para crear nuevas superficies supera la energía obtenida al reducir la concentración de plata disuelta.
- Radio crítico: Cuando un agregado alcanza un tamaño específico (el radio crítico), el proceso se vuelve energéticamente favorable y el agregado se estabiliza. Esta estabilidad permite que el agregado actúe como núcleo para el crecimiento posterior.
- Fase de crecimiento: Durante el crecimiento, otros átomos de plata se difunden a través de la solución y se incorporan a la superficie de la nanopartícula en crecimiento. El crecimiento continúa hasta que la concentración de plata disuelta cae por debajo del umbral de nucleación, lo que detiene la formación de nuevos núcleos.
- Difusión y finalización: La plata disuelta restante se incorpora a las nanopartículas existentes, con lo que se completa el proceso.
La sonicación acelera la transferencia de masa, en particular los procesos de humectación y difusión, lo que da lugar a una nucleación más rápida y a un crecimiento controlado. Mediante el ajuste preciso de los parámetros de sonicación, como la intensidad y la duración, es posible ajustar con precisión el tamaño, la velocidad de crecimiento y la forma de las nanopartículas. Este control preciso garantiza estructuras de nanopartículas uniformes y adaptadas a aplicaciones específicas.
La síntesis asistida por ultrasonidos destaca como un método eficaz, escalable y basado en la química verde para producir nanoplata con propiedades bien definidas, y ofrece ventajas significativas para diversas aplicaciones en investigación e industria.
La sonicación facilita la síntesis rápida y ecológica de pequeñas nanopartículas de plata con una estrecha distribución de tamaños.
- reacción sencilla en un solo recipiente
- segura
- proceso rápido
- bajo coste
- escalabilidad lineal
- respetuosa con el medio ambiente, química verde
UP400St – un potente ultrasonicador de 400 vatios para la síntesis sonoquímica de nanopartículas
Estudio de caso sobre la síntesis ultrasónica de nanoplata
El estudio titulado «Honey-Based and Ultrasonic-Assisted Synthesis of Silver Nanoparticles and Their Antibacterial Activities», de Oskuee et al. (2016), explora un método sencillo y respetuoso con el medio ambiente para sintetizar nanopartículas de plata (Ag-NPs) utilizando miel natural como agente reductor y estabilizante. El proceso, que implica la reducción de nitrato de plata (AgNO₃) bajo irradiación ultrasónica, se caracteriza mediante diversos parámetros, entre ellos la concentración de iones de plata, la concentración de miel y el tiempo de sonicación. Las Ag-NPs resultantes tienen un tamaño medio de aproximadamente 11,8 nm y presentan propiedades antibacterianas frente a bacterias patógenas como Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa y E. coli.
El estudio destaca las ventajas de utilizar miel en la síntesis de nanopartículas y subraya su carácter ecológico, económico y no tóxico. Los autores demuestran que el tamaño y el rendimiento de las Ag-NPs pueden controlarse ajustando parámetros de reacción como la concentración de plata, el contenido de miel y la duración de la sonicación. Se demostró que las Ag-NPs sintetizadas poseen una actividad antibacteriana eficaz, especialmente frente a E. coli y S. aureus, con concentraciones mínimas inhibitorias (MIC) de aproximadamente 19,46 ppm. Este método ofrece una posible aplicación de las Ag-NPs en el ámbito médico, incluida la cicatrización de heridas y el control de infecciones.
- Materiales: nitrato de plata (AgNO3) como precursor de plata; miel como agente de recubrimiento superficial / reductor; agua
- Equipo ultrasónico: Sonicador de sonda UP400St
Protocolo de síntesis ultrasónica
Se determinó que las mejores condiciones para sintetizar nanopartículas de plata coloidal eran las siguientes: reducción de nitrato de plata mediante ultrasonicación mediada por miel natural. En resumen, se expusieron 20 ml de una solución de nitrato de plata (0,3 M) que contenía miel (20 wt%) a irradiación ultrasónica de alta intensidad en condiciones ambientales durante 30 min. La ultrasonicación se llevó a cabo con el ultrasonicador de sonda UP400S (400 W, 24 kHz), sumergido directamente en la solución de reacción.
Se utiliza miel de calidad alimentaria como agente de recubrimiento superficial / estabilizante y reductor, lo que hace que la solución acuosa de nucleación y las nanopartículas precipitadas sean limpias y seguras para múltiples aplicaciones.
A medida que aumenta el tiempo de ultrasonicación, las nanopartículas de plata se vuelven más pequeñas y su concentración aumenta.
En la solución acuosa de miel, la ultrasonicación es un factor clave que influye en la formación de nanopartículas de plata. Los parámetros de sonicación, como la amplitud, el tiempo y el uso de ultrasonidos continuos o pulsados, son factores fundamentales que permiten controlar el tamaño y la cantidad de nanopartículas de plata.
Distribución de tamaños de las Ag-NPs sintetizadas en condiciones óptimas; concentraciones de plata (0,3 M), concentraciones de miel (20 wt%) y tiempos de irradiación ultrasónica (30 min)
Fuente de la imagen: ©Oskuee et al. 2016
Resultado de la síntesis ultrasónica de nanopartículas de plata
La síntesis favorecida por ultrasonidos y mediada por miel con el sonicador UP400St dio lugar a nanopartículas esféricas de plata (Ag-NPs) con un tamaño medio de aproximadamente 11,8 nm. La síntesis ultrasónica de nanopartículas de plata es un método sencillo y rápido que se realiza en un solo recipiente. El uso de agua y miel como materiales hace que la reacción sea económica y excepcionalmente respetuosa con el medio ambiente.
La técnica de síntesis ultrasónica presentada, que utiliza miel como agente reductor y de recubrimiento superficial, puede extenderse a otros metales nobles, como el oro, el paladio y el cobre, lo que ofrece diversas aplicaciones adicionales desde la medicina hasta la industria.
Distribución de tamaños de las Ag-NPs sintetizadas en condiciones óptimas; concentraciones de plata (0,3 M), concentraciones de miel (20 wt%) y tiempo de irradiación ultrasónica (30 min)
Estudio e imagen: ©Oskuee et al. 2016
Influencia de la sonicación en la nucleación y el tamaño de las partículas
Los ultrasonidos permiten producir nanopartículas, como las nanopartículas de plata, adaptadas a los requisitos. Tres modalidades generales de sonicación tienen efectos importantes sobre el resultado:
Sonicación inicial: La aplicación breve de ondas ultrasónicas a una solución sobresaturada puede iniciar la siembra y la formación de núcleos. Como la sonicación solo se aplica durante la etapa inicial, el crecimiento posterior de los cristales continúa sin impedimentos y da lugar a cristales de mayor tamaño.
Sonicación continua: La irradiación continua de la solución sobresaturada da lugar a cristales pequeños, ya que la ultrasonicación sin pausas crea numerosos núcleos, lo que favorece el crecimiento de muchos cristales pequeños.
Sonicación pulsada: Los ultrasonidos pulsados consisten en aplicar ultrasonidos a intervalos determinados. Un aporte de energía ultrasónica controlado con precisión permite influir en el crecimiento de los cristales para obtener un tamaño adaptado a los requisitos.
Ultrasonicadores de alto rendimiento para la síntesis de nanopartículas
Hielscher Ultrasonics ofrece procesadores ultrasónicos fiables de alta potencia diseñados para aplicaciones sonoquímicas avanzadas, incluidas la sonosíntesis y la sonocatálisis. La mezcla y la dispersión ultrasónicas mejoran significativamente la transferencia de masa, favorecen la humectación de los agregados de átomos y facilitan su posterior nucleación, lo que conduce a una precipitación eficiente de nanopartículas. La síntesis ultrasónica se reconoce como un método sencillo, económico, biocompatible, reproducible, rápido y seguro para producir nanomateriales de alta calidad. (Obtenga más información sobre la síntesis sonoquímica de perovskita y las nanoestructuras de ZnO!)
Los ultrasonicadores Hielscher están diseñados para ofrecer un control preciso que permite establecer condiciones óptimas para la nucleación y el crecimiento de nanomateriales. Estos equipos digitales incorporan software inteligente, una pantalla táctil en color y un menú intuitivo para un manejo seguro y sencillo. Además, incluyen el registro automático de datos en una tarjeta SD integrada, lo que garantiza una documentación fluida del proceso.
Con una amplia gama de sistemas –desde ultrasonicadores de mano compactos de 50 vatios para uso en laboratorio hasta robustos sistemas industriales de 16.000 vatios–, Hielscher proporciona la solución ultrasónica ideal para cada aplicación. Los equipos ultrasónicos Hielscher están diseñados para durar y funcionar de forma continua en condiciones de trabajo intensivas, incluso en entornos exigentes, garantizando un rendimiento fiable 24/7.
La siguiente tabla ofrece una orientación sobre la capacidad aproximada de procesamiento de nuestros ultrasonicadores:
| Volumen del lote | Caudal | Equipos recomendados |
|---|---|---|
| 1 a 500 mL | 10 a 200 mL/min | UP100H |
| 10 a 2000 mL | 20 a 400 mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 a 20 L | 0,2 a 4 L/min | UIP2000hdT |
| 10 a 100 L | 2 a 10 L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 a 100 L/min | UIP16000 |
| n.a. | mayor | conjunto de UIP16000 |
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Comparación de los métodos convencionales y los métodos de síntesis verde de nanopartículas.
Procesador ultrasónico industrial UIP16000 (16 kW) para la síntesis de nanopartículas de plata a gran escala.
Bibliografía/Referencias
- Reza Kazemi Oskuee, Azhar Banikamali, Bibi Sedigheh Fazly Bazzaz, Hasan Ali Hosseini, 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.
- Eranga Roshan Balasooriya et al. (2017): Honey Mediated Green Synthesis of Nanoparticles: New Era of Safe Nanotechnology. Journal of Nanomaterials Volume 2017.
- D. Madhesh, S. Kalaiselvam (2014): Experimental Analysis of Hybrid Nanofluid as a Coolant. Procedia Engineering, Volume 97, 2014. 1667-1675.
Información de interés
¿Qué son las nanopartículas de plata?
Las nanopartículas de plata son partículas de plata con un tamaño comprendido entre 1 nm y 100 nm. Las nanopartículas de plata tienen una superficie extremadamente grande, lo que permite la coordinación de un gran número de ligandos.
Las nanopartículas de plata ofrecen propiedades ópticas, eléctricas y térmicas únicas, que las hacen muy valiosas para la ciencia de materiales y el desarrollo de productos, por ejemplo, en fotovoltaica, electrónica, tintas conductoras y sensores biológicos / químicos.
Otra aplicación que ya está ampliamente consolidada es el uso de nanopartículas de plata en recubrimientos antimicrobianos. Actualmente, numerosos textiles, teclados, apósitos para heridas y dispositivos biomédicos contienen nanopartículas de plata que liberan continuamente una pequeña cantidad de iones de plata para proporcionar protección frente a las bacterias.
¿Cómo se utiliza la nanoplata en los textiles?
Las nanopartículas de plata se emplean en la fabricación textil, donde las Ag-NPs se utilizan para fabricar tejidos de algodón con colores ajustables, capacidades antibacterianas y propiedades superhidrófobas autorreparables. La propiedad antibacteriana de las nanopartículas de plata permite fabricar tejidos que degradan los olores de origen bacteriano (p. ej., el olor a sudor).
¿Qué es un recubrimiento antibacteriano para aplicaciones médicas y material sanitario?
Las nanopartículas de plata presentan características antibacterianas, antifúngicas y antioxidantes, lo que las hace interesantes para aplicaciones farmacéuticas y médicas, por ejemplo, tratamientos odontológicos, aplicaciones quirúrgicas, tratamientos para la cicatrización de heridas y dispositivos biomédicos. Las investigaciones han demostrado que las nanopartículas de plata (Ag-nPs) inhiben el crecimiento y la multiplicación de diversas cepas bacterianas, como Bacillus cereus, Staphylococcus aureus, Citrobacter koseri, Salmonella typhii, Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli, Klebsiella pneumonia y Vibrio parahaemolyticus, así como del hongo Candida albicans. El efecto antibacteriano / antifúngico se consigue mediante la difusión de las nanopartículas de plata al interior de las células y la unión de iones Ag/Ag+ a las biomoléculas de las células microbianas, de modo que se altera su función.
¿Qué es el ensayo MIC?
El ensayo MIC (concentración mínima inhibitoria) determina la concentración más baja de una sustancia, como un agente antimicrobiano, necesaria para inhibir el crecimiento visible de un microorganismo in vitro. Habitualmente se realiza mediante diluciones seriadas en un medio de cultivo líquido y midiendo el crecimiento bacteriano tras la incubación. ¡Obtenga más información sobre cómo la sonicación facilita los ensayos MIC de alto rendimiento!