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 se refiere a las reacciones químicas facilitadas por la irradiación ultrasónica, es un método ampliamente aplicado para producir nanopartículas. Entre ellas se encuentran la plata, el oro y la magnetita, hidroxiapatita, cloroquina, perovskita, látex y muchos otros nanomateriales.

Síntesis química húmeda por ultrasonidos

Se han desarrollado múltiples rutas de síntesis asistida por ultrasonidos para producir nanopartículas de plata. Un método notable emplea la miel como agente reductor y de recubrimiento. 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 nanopartículas de plata pertenece a la categoría de la química húmeda. El proceso comienza con la nucleación de nanopartículas de plata dentro de una solución. Durante la sonicación, un precursor de plata (por ejemplo, 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 por ultrasonidos

Fase de nucleación inicial: A medida que aumenta la concentración de iones de plata disueltos, los iones de plata metálica comienzan a unirse para formar pequeñas agrupaciones. En esta fase, estas agrupaciones 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 cúmulo alcanza un tamaño específico (el radio crítico), el proceso se vuelve energéticamente favorable, estabilizando el cúmulo. Esta estabilidad permite al cúmulo actuar como núcleo para un mayor crecimiento.
• Fase de crecimiento: Durante el crecimiento, otros átomos de plata se difunden por la solución y se adhieren 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, deteniendo la formación de nuevos núcleos.
• Difusión y finalización: La plata disuelta restante se incorpora a las nanopartículas existentes, completando el proceso.

La sonicación acelera la transferencia de masa, en particular los procesos de humectación y difusión, lo que conduce 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, se puede ajustar con precisión el tamaño, la velocidad de crecimiento y la forma de las nanopartículas. Este control preciso garantiza estructuras de nanopartículas consistentes y adaptadas a aplicaciones específicas.

La síntesis asistida por ultrasonidos destaca por ser un método químico eficaz, escalable y ecológico para producir nanopartículas de plata con propiedades bien definidas, lo que ofrece importantes ventajas para diversas aplicaciones en la investigación y la industria.

Haga clic aquí para leer más sobre otro método ecológico para sintetizar nanoplata por ultrasonidos utilizando carragenina.

La sonicación facilita la síntesis rápida y ecológica de pequeñas nanopartículas de plata con una estrecha distribución de tamaños.

Estudio de caso de síntesis ultrasónica de nanoplata

El estudio titulado “Síntesis de nanopartículas de plata basada en la miel y asistida por ultrasonidos y sus actividades antibacterianas” de Oskuee et al. (2016) explora un método sencillo y ecológico para sintetizar nanopartículas de plata (Ag-NPs) utilizando miel natural como agente reductor y estabilizador. El proceso, que implica la reducción de nitrato de plata (AgNO₃) bajo irradiación ultrasónica, se caracteriza por varios parámetros, incluyendo la concentración de iones de plata, la concentración de miel y el tiempo de sonicación. Las Ag-NP resultantes tienen un tamaño medio de unos 11,8 nm y presentan propiedades antibacterianas contra bacterias patógenas como Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa y E. coli.
El estudio destaca las ventajas de utilizar miel en la síntesis de nanopartículas, haciendo hincapié en su carácter ecológico, de bajo coste y no tóxico. Los autores demuestran que el tamaño y el rendimiento de las Ag-NP pueden controlarse ajustando parámetros de la reacción como la concentración de plata, el contenido de miel y la duración de la sonicación. Las Ag-NP sintetizadas demostraron poseer una eficaz actividad antibacteriana, en particular contra E. coli y S. aureus, con concentraciones inhibitorias mínimas (CIM) de aproximadamente 19,46 ppm. Este método presenta una aplicación potencial para las Ag-NPs en campos médicos, incluyendo la curación de heridas y el control de infecciones.

• Materiales: nitrato de plata (AgNO₃) como precursor de la plata; miel como agente de recubrimiento/reductor; agua
• Dispositivo ultrasónico: Sonda sonicadora 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 el ultrasonicador tipo sonda UP400S (400W, 24 kHz) sumergido directamente en la solución de reacción.
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.

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 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 promovida por ultrasonidos y mediada por miel con el sonicador UP400St dio lugar a nanopartículas esféricas de plata (Ag-NPs) con un tamaño medio de partícula de unos 11,8 nm. La síntesis ultrasónica de las nanopartículas de plata es un método sencillo y rápido de una sola olla. 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.

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).
Estudio e imagen: ©Oskuee et al. 2016

Influencia de la sonicación en la nucleación y el tamaño de las partículas

Los ultrasonidos permiten la producción de 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 la síntesis de nanopartículas

Hielscher Ultrasonics ofrece procesadores ultrasónicos fiables y de alta potencia diseñados para aplicaciones sonoquímicas avanzadas, como la sonosíntesis y la sonocatálisis. La mezcla y dispersión ultrasónicas mejoran significativamente la transferencia de masa, promueven la humectación de los grupos de átomos y facilitan su posterior nucleación, lo que conduce a la precipitación eficiente de nanopartículas. La síntesis ultrasónica está reconocida como un método sencillo, rentable, biocompatible, reproducible, rápido y seguro para producir nanomateriales de alta calidad. (Más información sobre la síntesis sonoquímica de Perovskita y Nanoestructuras de ZnO)

Los ultrasonidos de Hielscher están diseñados para un control preciso, lo que permite unas condiciones óptimas para la nucleación y el crecimiento de nanomateriales. Estos dispositivos digitales cuentan con un software inteligente, una pantalla táctil en color y un menú intuitivo para un funcionamiento seguro y sencillo. Además, vienen con registro automático de datos en una tarjeta SD integrada, lo que garantiza una documentación perfecta del proceso.

Con una amplia gama de sistemas -desde compactos ultrasonidos portátiles de 50 vatios para uso en laboratorio hasta robustos sistemas industriales de 16.000 vatios- Hielscher ofrece la solución por ultrasonidos ideal para cada aplicación. Diseñados para durar, los equipos de ultrasonidos de Hielscher están fabricados para funcionar de forma continua en condiciones de uso intensivo, incluso en entornos exigentes, garantizando un rendimiento fiable las 24 horas del día, los 7 días de la semana.
En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:

Comparación de métodos convencionales y métodos ecológicos de síntesis de nanopartículas.