Ühtlase kuju ja morfoloogiaga kuldnanoosakesi saab tõhusalt sünteesida sonokeemilise tee kaudu. Kulla nanoosakeste sünteesi ultraheliga edendatud keemilist reaktsiooni saab täpselt kontrollida osakeste suuruse, kuju (nt nanosfäärid, nanorodid, nanovööd jne) ja morfoloogia järgi. Tõhus, lihtne, kiire ja roheline keemiline protseduur võimaldab kulla nanostruktuuride usaldusväärset tootmist tööstuslikus mastaabis.

Kuld Nanoosakesed ja nanostruktuurid

Kulla nanoosakesi ja nanosuuruses struktuure rakendatakse R-s laialdaselt&D ja tööstuslikud protsessid, mis on tingitud nanosuuruse kulla unikaalsetest omadustest, sealhulgas elektroonilised, magnetilised ja optilised omadused, kvantsuuruse mõjud, pinnaplasmoni resonants, kõrge katalüütiline aktiivsus, isemonteerimine muude omaduste hulgas. Kulla nanoosakeste (Au-NP) kasutusvaldkonnad ulatuvad katalüsaatorina kasutamisest kuni nanoelektrooniliste seadmete tootmiseni, samuti kasutamiseni pildistamisel, nanofotoonikas, nanomagnetilistes, biosensorites, keemilistes andurites, optilistes ja teranostilistes rakendustes, ravimite tarnimisel ja muudes kasutusalades.

Kuldse nanoosakeste sünteesi meetodid

Nano-struktureeritud kullaosakesi saab sünteesida erinevate marsruutide kaudu, kasutades suure jõudlusega ultraheliuuringut. Ultraheli ei ole mitte ainult lihtne, tõhus ja usaldusväärne meetod, lisaks loob ultrahelitöötlus tingimused kullaioonide keemiliseks vähendamiseks ilma mürgiste või karmide keemiliste aineteta ja võimaldab erinevate morfoloogiate väärismetalli nanoosakeste moodustumist. Marsruudi ja sonokeemilise töötlemise (tuntud ka kui sonosüntees) valik võimaldab toota kulla nanostruktuure, nagu kulla nanosheres, nanorodid, nanovööd jne, millel on ühtlane suurus ja morfoloogia.
Allpool leiate valitud sonokeemilised teed kuldsete nanoosakeste valmistamiseks.

Ultraheli täiustatud Turkevichi meetod

Ultrahelitöötlust kasutatakse Turkevichi tsitraadi vähendamise reaktsiooni ja muudetud Turkevichi protseduuride intensiivistamiseks.
Turkevitši meetod toodab tagasihoidlikult monodisperse sfäärilisi kulla nanoosakesi läbimõõduga umbes 10–20nm. Suuremaid osakesi saab toota, kuid monodispersity ja kuju hinnaga. Selle meetodi puhul töödeldakse kuuma kloroaariinhapet naatriumtsitraadi lahusega, mis toodab kolloidkulda. Turkevitši reaktsioon toimub mööduvate kulla nanotraadi moodustumise kaudu. Need kuldsed nanotraadid vastutavad reaktsioonilahuse tumeda välimuse eest enne, kui see muutub rubiinpunaseks.
Fuentes-García et al. (2020), kes sonokeemiliselt sünteesis kulla nanoosakesi, teatab, et on võimalik toota suure imenduvusega kuldnanoosakesi, kasutades ultraheliuuringut ainsa energiaallikana, vähendades laboratoorseid nõudeid ja kontrollides lihtsaid parameetreid muutvaid omadusi.
Lee et al. (2012) näitas, et ultraheli energia on peamine parameeter sfääriliste kulla nanoosakeste (AuNP) tootmiseks, mille häälestatav suurus on 20 kuni 50 nm. Sonosüntees naatriumtsitraadi redutseerimise teel toodab monodisperse sfäärilisi kuldnanoosakesi vesilahuses atmosfääritingimustes.

Turkevich-Frensi meetod ultraheli abil

Eespool kirjeldatud reaktsioonitee muutmine on Turkevich-Frensi meetod, mis on lihtne mitmeastmeline protsess kuldsete nanoosakeste sünteesiks. Ultraheli soodustab Turkevich-Frensi reaktsiooniteed samal viisil kui Turkevitši marsruut. Turkevich-Frensi mitmeastmelise protsessi algne etapp, kus reaktsioonid esinevad seeriatena ja paralleelselt, on tsitraadi oksüdatsioon, mis annab dikarboksüülatsetooni. Seejärel taandatakse auric sool aurous soolaks ja Au⁰, ja aurous sool on kokku pandud Au⁰ aatomid AuNP moodustamiseks (vt skeemi allpool).

Kulla nanoosakeste süntees Turkevichi meetodil.
kava ja uuring: ©Zhao et al., 2013

See tähendab, et dikarboksüatsetoon, mis tuleneb tsitraadi oksüdeerimisest, mitte tsitraat ise, toimib Turkevich-Frensi reaktsioonis tegeliku AuNP stabilisaatorina. Tsitraatsool muudab täiendavalt süsteemi pH-d, mis mõjutab kulla nanoosakeste suurust ja suuruse jaotust. Need Turkevich-Frensi reaktsiooni tingimused toodavad peaaegu monodisperse kulla nanoosakesi osakeste suurusega vahemikus 20 kuni 40nm. Täpset osakeste suurust saab muuta nii lahuse pH variatsioonil kui ka ultraheli parameetrite abil. Tsitraadist stabiliseeritud AUNP-d on trinaatriumtsitraatdihüdraadi piiratud redutseerimise võime tõttu alati suuremad kui 10 nm. D-d kasutades₂O lahustina H asemel₂O AUD sünteesi ajal võimaldab sünteesida AuNP-sid osakeste suurusega 5 nm. D lisamisena₂O suurendada tsitraadi redutseerivat tugevust, D kombinatsiooni₂O ja C₆H₉Na₃O₉. (vrd Zhao et al., 2013)

Sonokeemilise Turkevich-Frensi marsruudi protokoll

Kulla nanoosakeste sünteesimiseks alt-üles protseduuris Turkevich-Frensi meetodil 50mL kloroaariinhapet (HAuCl₄), valatakse 0,025 mM 100 ml klaaskeraami, millesse 1 ml 1,5% (w/v) trinaatriumtsitraadi vesilahust (Na₃Ct) lisatakse ultraheliga toatemperatuuril. Ultraheli teostati 60W, 150W ja 210W juures. The Na₃Ct/HAuCl₄ proovides kasutatav suhe on 3:1 (w/v). Pärast ultraheliuuringut näitasid kolloidlahused erinevaid värve, violetne 60 W ja rubiinpunane 150 ja 210 W proovi jaoks. Väiksemad suurused ja rohkem kulla nanoosakeste sfäärilisi klastreid toodeti ultrahelitöötlusvõimsuse suurendamisega vastavalt struktuurilisele iseloomustile. Fuentes-García et al. (2021) näitab oma uuringutes ultrahelitöötluse suurendamise tugevat mõju osakeste suurusele, polühedraalsele struktuurile ja sonokeemiliselt sünteesitud kulla nanoosakeste optilistele omadustele ning reaktsioonikineetikale nende moodustumisel. Mõlemat, kulla nanoosakesi suurusega 16nm ja 12nm saab toota kohandatud sonokeemilise protseduuriga. ("Fuentes-García et al., 2021)"

a,b) TEM-kujutise ja c) sonokeemiliselt sünteesitud kulla nanoosakeste (AuNP) suuruse jaotus
Pilt ja uuring: © Dheyab et al., 2020.

Kuldsete nanoosakeste sonolüüs

Teine meetod kullaosakeste eksperimentaalseks genereerimiseks on sonolüüs, kus ultraheli rakendatakse alla 10 nm läbimõõduga kullaosakeste sünteesiks. Sõltuvalt reaktiividest võib sonobüütilist reaktsiooni juhtida mitmel viisil. Näiteks HAuCl vesilahuse ultrahelitöötlus₄ glükoosi, hüdroksüülradikaalide ja suhkrupürolüüsi radikaalidega toimivad redutseerijatena. Need radikaalid moodustuvad religioonidevahelises piirkonnas intensiivse ultraheli ja lahtise vee tekitatud kokkuvarisevate õõnsuste vahel. Kulla nanostruktuuride morfoloogia on nanoribbonid laiusega 30–50 nm ja mitme mikromeetri pikkusega. Need lindid on väga paindlikud ja võivad painutada nurkadega, mis on suuremad kui 90°. Kui glükoos asendatakse tsüklodekstriiniga, glükoosi oligomeeriga, saadakse ainult sfäärilised kullaosakesed, mis viitab sellele, et glükoos on oluline morfoloogia suunamisel lindi poole.

Sonokeemilise nano-kulla sünteesi näidisprotokoll

Lähtematerjalid, mida kasutatakse tsitraatkattega AUD-ide sünteesimiseks, on HAuCl₄, naatriumtsitraat ja destilleeritud vesi. Valimi ettevalmistamiseks oli esimeseks sammuks HAuCl lõpetamine.₄ destilleeritud vees kontsentratsiooniga 0,03 M. Seejärel HAuCl lahus₄ (2 ml) lisati tilgaliselt 20 ml 0,03 M naatriumtsitraadi lahusele. Segamisfaasis sisestati lahusesse suure tihedusega ultraheli sond (20 kHz) ultraheli sarvega 5 min helivõimsusega 17,9 W·cm²
(vrd Dhabey, al. 2020)

Kuldnanovöö süntees ultrahelitöötluse abil

Üksikuid cristalline nanobeldeid (vt TEM-i pilt vasakul) saab sünteesida HAuCl vesilahuse ultrahelitöötluse abil₄ α-D-glükoosi juuresolekul reageenidena. Soniokeemiliselt sünteesitud kulla nanovööd näitavad keskmist laiust 30–50 nm ja mitme mikromeetri pikkust. Ultraheli reaktsioon kuldsete nanovööde tootmiseks on lihtne, kiire ja väldib toksiliste ainete kasutamist. (vrd Zhang et al, 2006)

Pindaktiivsed ained kuldsete PÕLV-ide sonokeemilise sünteesi mõjutamiseks

Intensiivse ultraheli rakendamine keemilistele reaktsioonidele algatab ja soodustab muundamist ja saagikust. Ühtlase osakeste suuruse ja teatud sihipäraste kujundite / morfoloogiate saamiseks on pindaktiivsete ainete valik kriitiline tegur. Alkoholide lisamine aitab kontrollida ka osakeste kuju ja suurust. Näiteks a-glükoosi juuresolekul on HAuCl vesi-HAuCl sonolüüsi protsessi peamised reaktsioonid.₄ nagu on kujutatud järgmistes võrrandites (1–4):
(1) H₂ O –> H∙ + OH∙
2) suhkur – > pürolüüsi radikaalid
(3) AIII + radikaalide vähendamine –> Au⁰
(4) nAu⁰ —> AuNP (nanovööd)
(vrd Zhao et al., 2014)

Probe-tüüpi ultrasonikaatorite võimsus

Ultraheli sondid või sonotroodid (nimetatakse ka ultraheli sarved) pakuvad väga keskendunud kujul kõrge intensiivsusega ultraheli ja akustilist kavitatsiooni keemilisteks lahusteks. See täpselt kontrollitav ja tõhus võimsuse ultraheli ülekanne võimaldab usaldusväärseid, täpselt kontrollitavaid ja reprodutseeritavaid tingimusi, kus saab algatada, intensiivistada ja vahetada keemilisi reaktsiooniteid. Seevastu ultraheli vann (tuntud ka kui ultraheli puhastaja või paak) pakub ultraheli, millel on väga väike võimsustihedus ja juhuslikult esinevad kavitatsioonilaigud suuresse vedelasse mahusse. See muudab ultraheli vannid ebausaldusväärseks mis tahes sonokeemiliste reaktsioonide jaoks.
"Ultraheli puhastusvannidel on võimsustihedus, mis vastab väikesele protsendile ultraheli sarve tekitatud. Puhastusvannide kasutamine sonokheemias on piiratud, arvestades, et täielikult homogeenne osakeste suurus ja morfoloogia ei ole alati saavutatud. See on tingitud ultraheli füüsilistest mõjudest tuumade ja kasvavate protsesside üle." (González-Mendoza jt 2015)

Suure jõudlusega ultrasonikaatorid kuldsete nanoosakeste sünteesiks

Hielscher Ultrasonics tarnib võimsaid ja usaldusväärseid ultraheli protsessoreid nanoosakeste, näiteks kulla ja muude väärismetalli nanostruktuuride sonokeemilise sünteesi (sono-sünteesi) jaoks. Ultraheli agitatsioon ja dispersioon suurendab massiülekannet heterogeensetes süsteemides ja soodustab aatomiklastrite niisutamist ja sellele järgnevat tuuma, et sadestada nanoosakesi. Nanoosakeste ultraheli süntees on lihtne, kulutõhus, bioühilduv, reprodutseeritav, kiire ja ohutu meetod.
Hielscher Ultrasonics varustab võimsaid ja täpselt kontrollitavaid ultraheli protsessoreid nano-suurusega struktuuride, nagu nanosheres, nanorods, nanovööd, nanopaelad, nanoklastrid, südamiku kesta osakesed jne moodustamiseks.
Meie kliendid hindavad Hielscheri digitaalsete seadmete nutikaid funktsioone, mis on varustatud intelligentse tarkvara, värvilise puuteekraani, sisseehitatud SD-kaardi automaatse andmeprotokolliga ning millel on intuitiivne menüü kasutajasõbralikuks ja turvaliseks kasutamiseks.
Hõlmates täielikku võimsusvahemikku 50 vatti käeshoitavatest ultrasonikaatoritest laborijaoks kuni 16 000 vatti võimsaid tööstuslikke ultraheli süsteeme, on Hielscheril teie rakenduse jaoks ideaalne ultraheli seadistus. Sonokeemilised seadmed partiide ja pidevaks tekstisiseseks tootmiseks läbivoolureaktorites on kergesti kättesaadavad igal pingil ja tööstuslikus suuruses. Hielscheri ultraheli seadmete töökindlus võimaldab 24/7 tööd raskeveokites ja nõudlikes keskkondades.

Alljärgnev tabel annab teile ülevaate meie ultrahelihitiste ligikaudse töötlemisvõimsusest: