Tecnología de ultrasonido de Hielscher

Sintetizando Nano-Plata con Miel y Ultrasonidos

La nanoplata se utiliza por sus propiedades antibacterianas para reforzar los materiales en la medicina y la ciencia de los materiales. La ecografía permite una síntesis rápida, eficaz, segura y respetuosa con el medio ambiente de las nanopartículas de plata esférica en el agua. La síntesis ultrasónica de nanopartículas puede ser fácilmente escalada desde una pequeña a una gran producción.

Síntesis asistida por ultrasonido de nanoplaca coloidal

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

Síntesis química húmeda ultrasónica

En el caso de las nanopartículas de plata, se conocen varias rutas de síntesis asistidas por ultrasonidos. A continuación se presenta una ruta de síntesis ultrasónica que utiliza la miel como agente reductor y taponador de ligandos. Los componentes de la miel, como la glucosa y la fructosa, son responsables de su papel como agente de recubrimiento y de reducción en el proceso de síntesis.
Como la mayoría de los métodos comunes para la síntesis de nanopartículas, la síntesis ultrasónica de nanoplata también entra en la categoría de química húmeda. La ultrasonificación promueve la nucleación de las nanopartículas de plata dentro de una solución. La nucleación promovida por ultrasonido ocurre cuando un precursor de plata (complejo de iones de plata), por ejemplo, el nitrato de plata (AgNO3) o perclorato de plata (AgClO4), se reduce a plata coloidal en presencia de un agente reductor, como la miel. Bajo la condición de que la concentración de iones de plata en la solución aumente lo suficiente, los iones de plata metálica disuelta 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 obtenida al disminuir la concentración de partículas de plata disuelta 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 para seguir creciendo. Durante la fase de crecimiento, más átomos de plata se difunden a través de 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 manera que los átomos no pueden unirse por más tiempo para formar un núcleo estable. En este umbral de nucleación, el crecimiento de nuevas nanopartículas cesa, y la plata disuelta restante es absorbida por difusión en las nanopartículas crecientes de la solución.
La sonicación promueve la transferencia de masa, es decir, la humectación de los cúmulos, lo que resulta en una nucleación más rápida. Mediante la sonicación controlada con precisión, se puede determinar la tasa de crecimiento, el tamaño y la forma de las estructuras de las nanopartículas.
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La síntesis asistida por ultrasonido de nanopartículas de plata utilizando la miel como agente reductor y taponador es un método fácil, eficiente y ecológico.

Comparación de los métodos convencionales y los métodos de síntesis verde de la síntesis de nanopartículas.

Ventajas de la síntesis ultrasónica de nanoplata

  • una simple reacción de una sola vez
  • seguro
  • proceso rápido
  • Bajo coste
  • escalabilidad lineal
  • química verde y respetuosa con el medio ambiente
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Estudio de caso de la síntesis ultrasónica de nanoplata

Materiales: Nitrato de plata (AgNO3) como precursor de la plata; la miel como agente reductor; el agua
Dispositivo ultrasónico: UP400St

Protocolo de síntesis ultrasónica

Las mejores condiciones para sintetizar las nanopartículas de plata coloidal fueron las siguientes: Reducir el nitrato de plata bajo ultrasonido mediado por la miel natural. Brevemente, 20 ml de solución de nitrato de plata (0,3 M) que contenía miel (20 wt%) se expusieron a una irradiación ultrasónica de alta intensidad bajo condiciones ambientales durante 30 min. La ecografía se realizó con un ultrasonido de tipo sonda UP400S (400W, 24 kHz) sumergido directamente en la solución de reacción.

Distribución del tamaño de las nanopartículas de plata sintetizadas por ultrasonido (Ag-NPs)

Distribución del tamaño de las partículas de Ag-NP 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 de recubrimiento/estabilización y reducción, lo que hace que la solución acuosa de nucleación y las nanopartículas precipitadas sean limpias y seguras para múltiples aplicaciones.
A medida que el tiempo de ultrasonido aumenta, las nanopartículas de plata se hacen más pequeñas y su concentración aumenta.
En la solución acuosa de miel, la ultrasonificación 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 vs. pulsante son factores importantes que permiten controlar el tamaño y la cantidad de las nanopartículas de plata.

Resultado de la síntesis ultrasónica de las nanopartículas de plata

La síntesis promovida por ultrasonido, mediada por la miel con el UP400St resultó en nanopartículas esféricas de plata (Ag-NPs) con un tamaño promedio de partícula de unos 11,8nm. La síntesis ultrasónica de las nanopartículas de plata es un método simple y rápido de una sola etapa. 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 que utiliza la miel como agente reductor y taponador 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.

Las nanopartículas de plata sintetizadas ultrasónicamente tienen forma esférica y muestran un tamaño de partícula uniforme.

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

Influyendo en la nucleación y el tamaño de las partículas por sonicación

El ultrasonido permite la producción de nanopartículas como las nanopartículas de plata adaptadas a las necesidades. Tres opciones generales de sonicación tienen efectos importantes en la producción:
El tratamiento con ultrasonidos inicial: La corta aplicación de ondas de ultrasonido a una solución supersaturada puede iniciar la siembra y formación de núcleos. Como la sonicación sólo se aplica durante la etapa inicial, el posterior crecimiento de los cristales procede sin impedimentos, lo que da lugar a cristales más grandes.
La sonicación continua: La continua irradiación de la solución supersaturada da lugar a pequeños cristales, ya que la ultrasonificación sin pausa crea muchos núcleos que dan lugar al crecimiento de muchos pequeños cristales.
Sonicación pulsada: El ultrasonido pulsado significa la aplicación de ultrasonido en intervalos determinados. Una entrada de energía ultrasónica controlada con precisión permite influir en el crecimiento del cristal para obtener un tamaño de cristal adaptado.

Ultrasonidos de alto rendimiento para la síntesis

Hielscher Ultrasonics suministra potentes y fiables procesadores ultrasónicos para aplicaciones de sonoquímica, incluyendo la sono síntesis y la sono-catálisis. La mezcla y dispersión ultrasónica aumenta la transferencia de masa y promueve la humectación y posterior nucleación de los grupos de átomos para precipitar las nanopartículas. La síntesis ultrasónica de nanopartículas es un método sencillo, rentable, biocompatible, reproducible, rápido y seguro.
Hielscher Ultrasonics suministra procesadores ultrasónicos potentes y precisamente controlables para la nucleación y precipitación de nanomateriales. Todos los dispositivos digitales están equipados con un software inteligente, una pantalla táctil de color, un registro automático de datos en una tarjeta SD incorporada y disponen de un menú intuitivo para un funcionamiento fácil y seguro.
Cubriendo la gama completa de potencia desde los ultrasonidos de mano de 50 vatios para el laboratorio hasta los potentes sistemas ultrasónicos industriales de 16.000 vatios, Hielscher tiene la configuración ultrasónica ideal para su aplicación. La robustez de los equipos de ultrasonidos de Hielscher permite un funcionamiento 24/7 en entornos de trabajo pesado y exigentes.
En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:

Volumen del lote Tasa de flujo Dispositivos 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 Grupo de UIP16000

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Homogeneizadores ultrasónicos de alta potencia de laboratorio a piloto y Uso industrial escala.



Información interesante

Nano-partículas de plata

Las nanopartículas de plata son partículas de plata con un tamaño entre 1nm y 100nm. 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 los materiales y el desarrollo de productos, por ejemplo, fotovoltaica, electrónica, tintas conductoras, sensores biológicos y químicos.
Otra aplicación, que ya está ampliamente establecida, es el uso de nanopartículas de plata para recubrimientos antimicrobianos, y muchos textiles, teclados, apósitos y dispositivos biomédicos contienen ahora nanopartículas de plata que liberan continuamente un bajo nivel de iones de plata para proporcionar protección contra las bacterias.

La nanoplata en los textiles
Las nanopartículas de plata se aplican a la fabricación de textiles, donde los Ag-NP se utilizan para fabricar tejidos de algodón con colores afinables, capacidades antibacterianas y propiedades autocurativas superhidrófobas. La propiedad antibacteriana de las nanopartículas de plata permite fabricar tejidos que degradan el olor derivado de las bacterias (por ejemplo, el olor a sudor).

Recubrimiento antibacteriano para medicamentos y suministros médicos
Las nanopartículas de plata muestran características antibacterianas, antifúngicas y antioxidantes, lo que las hace interesantes para aplicaciones farmacéuticas y médicas, por ejemplo, en trabajos dentales, aplicaciones quirúrgicas, tratamiento 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 de bacterias como Bacillus cereus, Staphylococcus aureus, Citrobacter koseri, Salmonella typhii, Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli, Klebsiella pneumonia, Vibrio parahaemolyticus y el hongo Candida albicans. El efecto antibacteriano / antifúngico se logra mediante la difusión de nanopartículas de plata en las células y la unión de iones Ag/Ag+ a las biomoléculas de las células microbianas, de modo que se interrumpe su función.