Sintetizar 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 una síntesis rápida, eficaz, segura y respetuosa con el medio ambiente de nanopartículas esféricas de plata en agua. La síntesis de nanopartículas por ultrasonidos puede escalarse fácilmente de pequeña a gran producción.

Síntesis de nanoplata coloidal asistida por ultrasonidos

La síntesis sonoquímica, que son reacciones sintéticas bajo irradiación ultrasónica, se utiliza ampliamente para producir nanopartículas como plata, oro, magnetita, hidroxiapatita, cloroquina, Perovskita, látex y muchos otros nanomateriales.

Síntesis química húmeda por ultrasonidos

En el caso de las nanopartículas de plata, se conocen varias rutas de síntesis asistida por ultrasonidos. A continuación, se presenta una ruta de síntesis ultrasónica que utiliza miel como agente reductor y ligando de recubrimiento. Los componentes de la miel, como la glucosa y la fructosa, son los responsables de su papel como agente de recubrimiento y reductor en el proceso de síntesis.
Como la mayoría de los métodos habituales para la síntesis de nanopartículas, la síntesis ultrasónica de nanoplata también entra en la categoría de la química húmeda. La ultrasonicación promueve la nucleación de nanopartículas de plata dentro de una solución. La nucleación promovida por ultrasonidos se produce cuando un precursor de plata (complejo de iones de plata), por ejemplo, nitrato de plata (AgNO₃) o perclorato de plata (AgClO₄), se reduce a plata coloidal en presencia de un agente reductor, como la miel. Si la concentración de iones de plata en la solución aumenta lo suficiente, los iones de plata metálica disueltos se unen y forman una superficie estable. Cuando el cúmulo de iones de plata es todavía pequeño, es una condición energéticamente desfavorable debido a un balance energético negativo. El balance energético negativo se produce porque la energía ganada al disminuir la concentración de partículas de plata disueltas es menor que la energía gastada al crear una nueva superficie.
Cuando el cúmulo alcanza el radio crítico, que es el punto en el que se vuelve energéticamente favorable, es lo suficientemente estable como para seguir creciendo. Durante la fase de crecimiento, más átomos de plata se difunden por la solución y se adhieren a la superficie. Cuando la concentración de plata atómica disuelta disminuye hasta cierto punto, se alcanza el umbral de nucleación, de modo que los átomos no pueden unirse más tiempo para formar un núcleo estable. En este umbral de nucleación, cesa el crecimiento de nuevas nanopartículas, y la plata disuelta restante se absorbe por difusión en las nanopartículas en crecimiento de la solución.
La sonicación favorece la transferencia de masa, es decir, la humectación de los conglomerados, lo que se traduce en una nucleación más rápida. Mediante una sonicación controlada con precisión, se puede determinar la velocidad de crecimiento, el tamaño y la forma de las estructuras de nanopartículas.
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Comparación de métodos convencionales y métodos ecológicos de síntesis de nanopartículas.

Estudio de caso de síntesis ultrasónica de nanoplata

Materiales: nitrato de plata (AgNO₃) como precursor de la plata; miel como agente de recubrimiento/reductor; agua
Dispositivo ultrasónico: UP400St

Protocolo de síntesis por ultrasonidos

Las mejores condiciones para sintetizar nanopartículas de plata coloidal fueron las siguientes: Reducción del nitrato de plata bajo ultrasonidos mediada por miel natural. Brevemente, 20 ml de solución de nitrato de plata (0,3 M) que contenía miel (20 % en peso) se expusieron a irradiación ultrasónica de alta intensidad en condiciones ambientales durante 30 min. La ultrasonicación se llevó a cabo con un ultrasonicador de tipo sonda UP400S (400 W, 24 kHz) sumergido directamente en la solución de reacción.

Distribución del tamaño de las partículas de Ag-NPs sintetizadas en condiciones óptimas; concentraciones de plata (0,3 M), concentraciones de miel (20 % en peso) y tiempo de irradiación ultrasónica (30 min).
fuente de la imagen: Oskuee et al. 2016

La miel de calidad alimentaria se utiliza como agente tapón/estabilizador 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 ultrasonidos, las nanopartículas de plata se hacen más pequeñas y aumenta su concentración.
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 ultrasonido continuo frente al pulsante, son factores importantes que permiten controlar el tamaño y la cantidad de las nanopartículas de plata.

Resultado de la síntesis ultrasónica de nanopartículas de plata

La síntesis promovida por ultrasonidos y mediada por miel con la UP400St dio lugar a nanopartículas esféricas de plata (Ag-NPs) con un tamaño medio de partícula de unos 11,8 nm. La síntesis por ultrasonidos de las nanopartículas de plata es un método sencillo y rápido de una sola operación. El uso de agua y miel como materiales hace que la reacción sea rentable y excepcionalmente respetuosa con el medio ambiente.
La técnica presentada de síntesis ultrasónica utilizando miel como agente reductor y de recubrimiento puede extenderse a otros metales nobles, como el oro, el paladio y el cobre, lo que ofrece diversas aplicaciones adicionales desde la medicina a la industria.

Imagen TEM (A) y su distribución de tamaño de partícula (B) de Ag-NPs sintetizadas en condiciones óptimas.

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 las necesidades. Tres opciones generales de sonicación tienen efectos importantes en 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 sólo se aplica durante la fase inicial, el posterior crecimiento de los cristales prosigue sin impedimentos, lo que 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 pausa crea muchos núcleos que dan lugar al crecimiento de muchos cristales pequeños.
Sonicación pulsada: Por ultrasonidos pulsados se entiende la aplicación de ultrasonidos en intervalos determinados. Una entrada de energía ultrasónica controlada con precisión permite influir en el crecimiento del cristal para obtener un tamaño de cristal a medida.

Ultrasonidos de alto rendimiento para síntesis

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En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores: