Nanohõbeda süntees mee ja ultraheli abil

Nanohõbedat kasutatakse selle bakteritevastaste omaduste tõttu materjalide tugevdamiseks meditsiinis ja materjaliteaduses. Ultraheli töötlus (sonikeerimine) võimaldab sfäärilisi hõbenanoosakesi vees sünteesida kiiresti, tõhusalt, ohutult ja keskkonnasäästlikult. Nanoosakeste ultraheli süntees on hõlpsasti skaleeritav väikesest suure tootmismahuni.

Kolloidse nanohõbeda ultraheliga toetatud süntees

Sonokeemiline süntees, mis tähendab ultrahelikiirgusega hõlbustatud keemilisi reaktsioone, on laialdaselt kasutatav meetod nanoosakeste tootmiseks. Nende hulka kuuluvad hõbe, kuld, magnetiit, hüdroksüapatiit, perovskiit, lateks ja paljud teised nanomaterjalid.

Ultraheli märgkeemiline süntees

Hõbenanoosakeste tootmiseks on välja töötatud mitmeid ultraheliga toetatud sünteesiviise. Üks tähelepanuväärne meetod kasutab mett nii redutseeriva kui ka stabiliseeriva (kattekihti moodustava) ainena. Mee komponendid, näiteks glükoos ja fruktoos, toimivad nendes rollides sünteesiprotsessi ajal sünergistlikult.
Sarnaselt paljude nanoosakeste sünteesitehnikatega kuulub ultraheli nanohõbeda süntees märgkeemia valdkonda. Protsess algab hõbenanoosakeste tuumumisega lahuses. Ultraheli töötluse (sonikeerimise) ajal redutseeritakse hõbeprekursor (nt hõbenitraat (AgNO₃), või hõbeperkloraat (AgClO₄)) redutseeriva aine, näiteks mee juuresolekul, et saada kolloidset hõbedat.

Ultraheli hõbeda tuumumise ja kasvu mehhanism

Tuumumise algfaas: Lahustunud hõbeioonide kontsentratsiooni suurenedes hakkavad metallilised hõbeioonid seonduma, moodustades väikesi klastreid. Selles etapis on need klastrid negatiivse energiabilansi tõttu energeetiliselt ebastabiilsed. Uute pindade loomiseks vajalik energia ületab energiat, mis saadakse lahustunud hõbeda kontsentratsiooni vähendamisel.

• Kriitiline raadius: Kui klaster saavutab kindla suuruse (kriitilise raadiuse), muutub protsess energeetiliselt soodsaks ja klaster stabiliseerub. See stabiilsus võimaldab klastril toimida tuumana edasiseks kasvuks.
• Kasvufaas: Kasvu käigus difundeeruvad lisahõbeaatomid läbi lahuse ja kinnituvad kasvava nanoosakese pinnale. Kasv jätkub, kuni lahustunud hõbeda kontsentratsioon langeb alla tuumumislävendi, peatades uute tuumade moodustumise.
• Difusioon ja lõpuleviimine: Ülejäänud lahustunud hõbe lülitub olemasolevatesse nanoosakestesse, viies protsessi lõpule.

Ultraheli töötlus (sonikeerimine) kiirendab massiülekannet, eriti märgumis- ja difusiooniprotsesse, mis viib kiirema tuumumise ja kontrollitud kasvuni. Ultraheli töötluse parameetreid, näiteks intensiivsust ja kestust, täpselt reguleerides saab nanoosakeste suurust, kasvukiirust ja kuju peenelt häälestada. See täpne kontroll tagab ühtlased nanoosakeste struktuurid, mis on kohandatud konkreetsete rakenduste jaoks.

Ultraheliga toetatud süntees paistab silma tõhusa, skaleeritava ja rohelise keemia lähenemisviisina täpselt määratletud omadustega nanohõbeda tootmiseks, pakkudes olulisi eeliseid mitmesugustes teadus- ja tööstusrakendustes.

Klõpsake siin, et lugeda lähemalt veel ühe rohelise meetodi kohta nanohõbeda ultraheliga sünteesimiseks karrageeni abil!

Ultraheli töötlus (sonikeerimine) hõlbustab väikeste, kitsa suurusjaotusega hõbenanoosakeste kiiret ja rohelist sünteesi.

Nanohõbeda ultraheli sünteesi juhtumiuuring

Oskuee et al. (2016) uuring pealkirjaga „Honey-Based and Ultrasonic-Assisted Synthesis of Silver Nanoparticles and Their Antibacterial Activities“ käsitleb lihtsat ja keskkonnasõbralikku meetodit hõbenanoosakeste (Ag-NPs) sünteesimiseks, kasutades looduslikku mett nii redutseeriva kui ka stabiliseeriva ainena. Protsessi, mis hõlmab hõbenitraadi (AgNO₃) redutseerimist ultrahelikiirguse toimel, iseloomustavad mitmed parameetrid, sealhulgas hõbeioonide kontsentratsioon, mee kontsentratsioon ja ultraheli töötluse (sonikeerimise) kestus. Saadud Ag-NPs keskmine suurus on umbes 11,8 nm ning neil on antibakteriaalsed omadused patogeensete bakterite, näiteks Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa ja E. coli vastu.
Uuring toob esile mee kasutamise eelised nanoosakeste sünteesis, rõhutades selle rohelist, odavat ja mittetoksilist olemust. Autorid näitavad, et Ag-NPs suurust ja saagist saab kontrollida reaktsiooniparameetrite, nagu hõbeda kontsentratsioon, mee sisaldus ja ultraheli töötluse kestus, reguleerimise teel. Sünteesitud Ag-NPs-il leiti olevat tõhus antibakteriaalne toime, eriti E. coli ja S. aureus vastu, minimaalse inhibeeriva kontsentratsiooniga (MIC) ligikaudu 19,46 ppm. See meetod pakub Ag-NPs potentsiaalset rakendust meditsiinivaldkondades, sealhulgas haavade paranemisel ja infektsioonide tõrjel.

• Materjalid: hõbenitraat (AgNO₃) hõbeda lähteainena; mesi kattena / redutseeriva ainena; vesi
• Ultraheliseade: Sondtüüpi sonikaator UP400St

Ultraheli sünteesiprotokoll

Kolloidsete hõbenanoosakeste sünteesimiseks leiti parimad tingimused olevat järgmised: hõbenitraadi redutseerimine ultraheli töötluse käigus looduslikku mett kasutades. Lühidalt: 20 ml hõbenitraadilahust (0,3 M), mis sisaldas mett (20 wt%), puutus normaaltingimustes 30 min jooksul kokku suure intensiivsusega ultrahelikiirgusega. Ultraheli töötlus viidi läbi sondtüüpi ultraheliseadmega UP400S (400W, 24 kHz), mis asetati otse reaktsioonilahusesse.
Toiduainete kvaliteediga mett kasutatakse katte- / stabiliseeriva ja redutseeriva ainena, mis muudab vesilahuse nukleatsioonilahuse ja sadestunud nanoosakesed puhtaks ning ohutuks mitmesugusteks rakendusteks.
Ultraheli töötluse aja pikenedes muutuvad hõbenanoosakesed väiksemaks ja nende kontsentratsioon suureneb.
Mee vesilahuses on ultraheli töötlus võtmetegur, mis mõjutab hõbenanoosakeste teket. Sonikeerimisparameetrid, nagu amplituud, aeg ning pidev ja pulseeriv ultraheli, on peamised tegurid, mis võimaldavad kontrollida hõbenanoosakeste suurust ja hulka.

Ag-NPs osakeste suuruse jaotus optimaalsetes tingimustes sünteesituna; hõbeda kontsentratsioonid (0,3 M), mee kontsentratsioonid (20 wt%) ja ultraheliga kiiritamise ajad (30 min)
pildi allikas: ©Oskuee et al. 2016

Hõbenanoosakeste ultraheliga sünteesi tulemus

Sonikaatoriga UP400St ultrahelil põhinev, mee vahendusel toimunud süntees andis sfäärilisi hõbenanoosakesi (Ag-NPs), mille keskmine osakeste suurus oli umbes 11,8nm. Hõbenanoosakeste ultraheliga süntees on lihtne ja kiire ühe anuma meetod. Vee ja mee kasutamine materjalidena muudab reaktsiooni kulutõhusaks ja erakordselt keskkonnasõbralikuks.
Presenteeritud ultraheliga sünteesi tehnikat, mis kasutab mett redutseeriva ja katva ainena, saab laiendada teistele väärismetallidele, näiteks kullale, pallaadiumile ja vasele, mis pakub mitmesuguseid täiendavaid rakendusi meditsiinist tööstuseni.

Ag-NPs osakeste suuruse jaotus optimaalsetes tingimustes sünteesituna; hõbeda kontsentratsioonid (0,3 M), mee kontsentratsioonid (20 wt%) ja ultraheliga kiiritamise aeg (30 min)
Uuring ja pilt: ©Oskuee et al. 2016

Nukleatsiooni ja osakeste suuruse mõjutamine ultraheli töötlusega

Ultraheli võimaldab toota nõuetele vastavaks kohandatud nanoosakesi, näiteks hõbenanoosakesi. Ultraheli töötluse kolm üldist võimalust avaldavad tulemusele olulist mõju:
Esmane ultraheli töötlus: Ultraheli lainete lühiajaline rakendamine üleküllastunud lahusele võib esile kutsuda tuumastumiskeskmete teket ja tuumade moodustumist. Kuna ultraheli töötlust rakendatakse ainult algstaadiumis, kulgeb hilisem kristallide kasv takistamatult, mille tulemuseks on suuremad kristallid.
Pidev ultraheli töötlus: Üleküllastunud lahuse pidev kiiritamine annab väikesed kristallid, sest katkestusteta ultraheli töötlus tekitab palju tuumi, mis viib paljude väikeste kristallide kasvuni.
Pulseeriv ultraheli töötlus: Pulseeriv ultraheli tähendab ultraheli rakendamist kindlaksmääratud intervallidega. Täpselt kontrollitud ultraheli energia sisend võimaldab mõjutada kristallide kasvu, et saada soovitud kristallide suurus.

Suure jõudlusega ultraheli seadmed nanoosakeste sünteesiks

Hielscher Ultrasonics pakub suure võimsusega ja töökindlaid ultraheliprotsessoreid, mis on mõeldud täiustatud sonokeemilisteks rakendusteks, sealhulgas sonosünteesiks ja sonokatalüüsiks. Ultraheli segamine ja dispergeerimine parandavad oluliselt massiülekannet, soodustavad aatomiklastrite märgumist ning hõlbustavad nende järgnevat tuumumist, mis viib nanoosakeste tõhusa sadenemiseni. Ultraheli süntees on tunnustatud kui lihtne, kulutõhus, biosobiv, reprodutseeritav, kiire ja ohutu meetod kvaliteetsete nanomaterjalide tootmiseks. (Loe lähemalt perovskiidi sonokeemilise sünteesi kohta ja ZnO nanostruktuuride kohta!)

Hielscheri ultraheli seadmed on loodud täpseks juhtimiseks, võimaldades nanomaterjalide tuumumiseks ja kasvuks optimaalseid tingimusi. Need digitaalsed seadmed on varustatud intelligentse tarkvara, värvilise puuteekraani ja intuitiivse menüüga ohutuks ja kasutajasõbralikuks tööks. Lisaks salvestavad need andmeid automaatselt sisseehitatud SD-kaardile, tagades sujuva protsessi dokumenteerimise.

Laia süsteemivalikuga – kompaktsetest 50-vatistest käeshoitavatest ultraheli seadmetest laboratoorseks kasutuseks kuni vastupidavate 16 000-vatiste tööstussüsteemideni – pakub Hielscher igaks rakenduseks ideaalset ultraheli lahendust. Hielscheri ultraheli seadmed on loodud vastupidavaks ning mõeldud pidevaks tööks rasketes tingimustes, isegi nõudlikes keskkondades, tagades töökindla toimimise 24/7.
Allolev tabel annab ülevaate meie ultraheli seadmete ligikaudsest töötlemismahust:

Tavapäraste meetodite ja rohelise sünteesi meetodite võrdlus nanoosakeste sünteesil.