سنتز نانونقره با عسل و فراصوت
نانونقره به‌دلیل خواص ضدباکتریایی خود برای تقویت مواد در پزشکی و علم مواد استفاده می‌شود. فراصوت‌دهی امکان سنتز سریع، مؤثر، ایمن و سازگار با محیط‌زیست نانوذرات کروی نقره را در آب فراهم می‌کند. مقیاس سنتز فراصوتی نانوذرات را می‌توان به‌آسانی از تولید کوچک به تولید بزرگ افزایش داد.
سنتز نانونقره کلوئیدی به کمک فراصوت
سنتز سونوشیمیایی، که به واکنش‌های شیمیایی تسهیل‌شده با تابش فراصوت اشاره دارد، روشی پرکاربرد برای تولید نانوذرات است. این نانوذرات شامل نقره، طلا، مگنتیت، هیدروکسی‌آپاتیت, پروسکایت, لاتکس و بسیاری از نانومواد دیگر هستند.
سنتز شیمیایی تر به کمک فراصوت
مسیرهای متعددی برای سنتز نانوذرات نقره به کمک فراصوت توسعه یافته‌اند. در یکی از روش‌های شاخص، عسل هم به‌عنوان عامل کاهنده و هم به‌عنوان عامل پوشاننده سطح به کار می‌رود. اجزای عسل، مانند گلوکز و فروکتوز، در طول فرایند سنتز در این نقش‌ها به‌صورت هم‌افزا عمل می‌کنند.
سنتز فراصوتی نانونقره، مانند بسیاری از روش‌های سنتز نانوذرات، در دسته شیمی تر قرار می‌گیرد. فرایند با هسته‌زایی نانوذرات نقره درون یک محلول آغاز می‌شود. هنگام فراصوت‌دهی، یک پیش‌ماده نقره (برای مثال، نیترات نقره (AgNO3)، یا پرکلرات نقره (AgClO4)) در حضور یک عامل کاهنده، مانند عسل، احیا می‌شود تا نقره کلوئیدی تولید شود.
سازوکار هسته‌زایی و رشد نقره به کمک فراصوت
مرحله اولیه هسته‌زایی: با افزایش غلظت یون‌های نقره محلول، یون‌های نقره فلزی شروع به اتصال به یکدیگر می‌کنند و خوشه‌های کوچکی تشکیل می‌دهند. در این مرحله، این خوشه‌ها به‌دلیل تراز منفی انرژی، از نظر انرژی ناپایدارند. انرژی لازم برای ایجاد سطوح جدید از انرژی حاصل از کاهش غلظت نقره محلول بیشتر است.
- شعاع بحرانی: هنگامی که یک خوشه به اندازه‌ای مشخص (شعاع بحرانی) می‌رسد، فرایند از نظر انرژی مطلوب می‌شود و خوشه را پایدار می‌کند. این پایداری به خوشه امکان می‌دهد به‌عنوان هسته‌ای برای رشد بیشتر عمل کند.
- مرحله رشد: در طول رشد، اتم‌های نقره بیشتری از میان محلول نفوذ می‌کنند و به سطح نانوذره در حال رشد متصل می‌شوند. رشد تا زمانی ادامه می‌یابد که غلظت نقره محلول به زیر آستانه هسته‌زایی برسد و تشکیل هسته‌های جدید متوقف شود.
- نفوذ و تکمیل: نقره محلول باقی‌مانده وارد نانوذرات موجود می‌شود و فرایند را تکمیل می‌کند.
فراصوت‌دهی انتقال جرم، به‌ویژه فرایندهای ترشوندگی و نفوذ، را تسریع می‌کند و در نتیجه به هسته‌زایی سریع‌تر و رشد کنترل‌شده می‌انجامد. با تنظیم دقیق پارامترهای فراصوت‌دهی، مانند شدت و مدت‌زمان، می‌توان اندازه، سرعت رشد و شکل نانوذرات را با دقت تنظیم کرد. این کنترل دقیق، ساختارهای یکنواخت نانوذرات را متناسب با کاربردهای مشخص تضمین می‌کند.
سنتز به کمک فراصوت، رویکردی مؤثر، مقیاس‌پذیر و مبتنی بر شیمی سبز برای تولید نانونقره با خواص کاملاً مشخص است و مزایای چشمگیری برای کاربردهای گوناگون در پژوهش و صنعت ارائه می‌دهد.
فراصوت‌دهی سنتز سریع و سبز نانوذرات کوچک نقره با توزیع اندازه باریک را تسهیل می‌کند.
- واکنش ساده تک‌ظرفی
- ایمن
- فرایند سریع
- هزینه پایین
- مقیاس‌پذیری خطی
- سازگار با محیط‌زیست، شیمی سبز
UP400St – دستگاه فراصوت قدرتمند با توان 400 وات برای سنتز سونوشیمیایی نانوذرات
مطالعه موردی سنتز فراصوتی نانونقره
مطالعه‌ای با عنوان «سنتز نانوذرات نقره بر پایه عسل و به کمک فراصوت و فعالیت‌های ضدباکتریایی آن‌ها» از Oskuee et al. (2016)، روشی ساده و سازگار با محیط‌زیست را برای سنتز نانوذرات نقره (Ag-NPs) با استفاده از عسل طبیعی به‌عنوان عامل کاهنده و پایدارکننده بررسی می‌کند. این فرایند، که شامل احیای نیترات نقره (AgNO₃) تحت تابش فراصوت است، با پارامترهای گوناگونی از جمله غلظت یون نقره، غلظت عسل و زمان فراصوت‌دهی مشخص می‌شود. Ag-NPs حاصل، اندازه متوسطی در حدود 11٫8 nm دارند و در برابر باکتری‌های بیماری‌زا مانند Staphylococcus aureus، Pseudomonas aeruginosa و E. coli خواص ضدباکتریایی نشان می‌دهند.
این مطالعه مزایای استفاده از عسل در سنتز نانوذرات را برجسته می‌کند و بر ماهیت سبز، کم‌هزینه و غیرسمی آن تأکید دارد. نویسندگان نشان می‌دهند که با تنظیم پارامترهای واکنش مانند غلظت نقره، مقدار عسل و مدت فراصوت‌دهی، می‌توان اندازه و بازده Ag-NPs را کنترل کرد. مشخص شد که Ag-NPs سنتزشده، به‌ویژه در برابر E. coli و S. aureus، فعالیت ضدباکتریایی مؤثری دارند و حداقل غلظت‌های مهارکننده (MIC) آن‌ها تقریباً 19٫46 ppm است. این روش، کاربرد بالقوه‌ای برای Ag-NPs در حوزه‌های پزشکی، از جمله ترمیم زخم و کنترل عفونت، مطرح می‌کند.
- مواد: نیترات نقره (AgNO3) به‌عنوان پیش‌ماده نقره؛ عسل به‌عنوان عامل پوشاننده سطح / کاهنده؛ آب
- دستگاه فراصوت: سونیکاتور پروبی UP400St
پروتکل سنتز فراصوتی
بهترین شرایط برای سنتز نانوذرات نقره کلوئیدی به این صورت تعیین شد: احیای نیترات نقره تحت فراصوت‌دهی با میانجی‌گری عسل طبیعی. به‌طور خلاصه، 20 ml محلول نیترات نقره (0٫3 M) حاوی عسل (20 wt%) در شرایط محیطی به‌مدت 30 min در معرض تابش فراصوت با شدت بالا قرار گرفت. فراصوت‌دهی با دستگاه فراصوت پروبی UP400S (400W, 24 kHz) انجام شد که مستقیماً در محلول واکنش غوطه‌ور بود.
عسل با گرید خوراکی به‌عنوان عامل پوشاننده سطح / پایدارکننده و کاهنده استفاده می‌شود و محلول آبی هسته‌زایی و نانوذرات رسوب‌کرده را برای کاربردهای متعدد پاک و ایمن می‌سازد.
با افزایش زمان فراصوت‌دهی، نانوذرات نقره کوچک‌تر می‌شوند و غلظت آن‌ها افزایش می‌یابد.
در محلول آبی عسل، فراصوت‌دهی عاملی کلیدی است که بر تشکیل نانوذرات نقره اثر می‌گذارد. پارامترهای فراصوت‌دهی مانند دامنه، زمان و پیوسته یا پالسی بودن فراصوت، عوامل اصلی برای کنترل اندازه و مقدار نانوذرات نقره هستند.
توزیع اندازه ذرات Ag-NPs سنتزشده در شرایط بهینه؛ غلظت‌های نقره (0٫3 M)، غلظت‌های عسل (20 wt%) و زمان‌های تابش فراصوت (30 min)
منبع تصویر: ©Oskuee et al. 2016
نتیجه سنتز فراصوتی نانوذرات نقره
سنتز تقویت‌شده با فراصوت و با میانجی‌گری عسل، با استفاده از سونیکاتور UP400St، به تولید نانوذرات کروی نقره (Ag-NPs) با اندازه متوسط ذرات در حدود 11٫8nm انجامید. سنتز فراصوتی نانوذرات نقره روشی ساده، سریع و تک‌ظرفی است. استفاده از آب و عسل به‌عنوان مواد اولیه، واکنش را مقرون‌به‌صرفه و به‌طور ویژه‌ای سازگار با محیط‌زیست می‌کند.
روش ارائه‌شده برای سنتز فراصوتی با استفاده از عسل به‌عنوان عامل کاهنده و پوشاننده سطح را می‌توان به دیگر فلزات نجیب، مانند طلا، پالادیم و مس، تعمیم داد که کاربردهای متنوع دیگری را از پزشکی تا صنعت فراهم می‌کند.
توزیع اندازه ذرات Ag-NPs سنتزشده در شرایط بهینه؛ غلظت‌های نقره (0٫3 M)، غلظت‌های عسل (20 wt%) و زمان تابش فراصوت (30 min)
مطالعه و تصویر: ©Oskuee et al. 2016
تأثیرگذاری بر هسته‌زایی و اندازه ذرات با فراصوت‌دهی
فراصوت امکان تولید نانوذراتی مانند نانوذرات نقره را متناسب با نیازها فراهم می‌کند. سه شیوه کلی فراصوت‌دهی تأثیرات مهمی بر محصول خروجی دارند:
فراصوت‌دهی اولیه: اعمال کوتاه‌مدت امواج فراصوت به محلول فوق‌اشباع می‌تواند بذرگذاری و تشکیل هسته‌ها را آغاز کند. از آنجا که فراصوت‌دهی فقط در مرحله اولیه اعمال می‌شود، رشد بعدی بلورها بدون مانع پیش می‌رود و به تشکیل بلورهای بزرگ‌تر می‌انجامد.
فراصوت‌دهی پیوسته: تابش پیوسته به محلول فوق‌اشباع به تشکیل بلورهای کوچک می‌انجامد، زیرا فراصوت‌دهی بدون وقفه هسته‌های زیادی ایجاد می‌کند که در نتیجه آن، تعداد زیادی بلور کوچک رشد می‌کنند.
فراصوت‌دهی پالسی: فراصوت پالسی به معنای اعمال فراصوت در فواصل زمانی مشخص است. ورود انرژی فراصوت با کنترل دقیق، امکان تأثیرگذاری بر رشد بلور را برای دستیابی به اندازه بلور متناسب با نیاز فراهم می‌کند.
دستگاه‌های فراصوت با کارایی بالا برای سنتز نانوذرات
Hielscher Ultrasonics پردازشگرهای فراصوتی پرتوان و قابل‌اعتمادی ارائه می‌دهد که برای کاربردهای پیشرفته سونوشیمیایی، از جمله سنتز و کاتالیز به کمک فراصوت، طراحی شده‌اند. اختلاط و پراکنده‌سازی فراصوتی، انتقال جرم را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهند، ترشوندگی خوشه‌های اتمی را تقویت می‌کنند و هسته‌زایی بعدی آن‌ها را تسهیل می‌کنند که به رسوب‌دهی کارآمد نانوذرات می‌انجامد. سنتز فراصوتی به‌عنوان روشی ساده، مقرون‌به‌صرفه، زیست‌سازگار، تکرارپذیر، سریع و ایمن برای تولید نانومواد باکیفیت شناخته می‌شود. (درباره سنتز سونوشیمیایی پروسکایت و نانوساختارهای ZnO! بیشتر بخوانید)
دستگاه‌های فراصوت Hielscher برای کنترل دقیق مهندسی شده‌اند و شرایط بهینه‌ای را برای هسته‌زایی و رشد نانومواد فراهم می‌کنند. این دستگاه‌های دیجیتال دارای نرم‌افزار هوشمند، نمایشگر لمسی رنگی و منویی با کاربری آسان برای استفاده ایمن و راحت هستند. همچنین، قابلیت ثبت خودکار داده‌ها روی کارت SD داخلی را دارند که مستندسازی یکپارچه فرایند را تضمین می‌کند.
Hielscher با طیف جامعی از سامانه‌ها – از دستگاه‌های فراصوت جمع‌وجور با توان 50 وات که برای کاربرد آزمایشگاهی در دست نگه داشته می‌شوند تا سامانه‌های صنعتی مستحکم با توان 16٬000 وات – راهکار فراصوتی ایدئال را برای هر کاربرد ارائه می‌دهد. تجهیزات فراصوتی Hielscher با هدف دوام بالا طراحی و ساخته شده‌اند تا در شرایط کاری سنگین، حتی در محیط‌های دشوار، به‌طور پیوسته کار کنند و عملکردی قابل‌اعتماد به‌صورت 24/7 داشته باشند.
جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش دستگاه‌های فراصوت ما را ارائه می‌دهد:
| حجم بچ | دبی | دستگاه‌های پیشنهادی |
|---|---|---|
| 1 تا 500mL | 10 تا 200mL/min | UP100H |
| 10 تا 2000mL | 20 تا 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0٫1 تا 20L | 0٫2 تا 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 تا 100L | 2 تا 10L/min | UIP4000hdT |
| قابل‌اعمال نیست | 10 تا 100L/min | UIP16000 |
| قابل‌اعمال نیست | بیشتر | مجموعه‌ای از UIP16000 |
با ما تماس بگیرید! / از ما بپرسید!
مقایسه روش‌های متداول و روش‌های سبز سنتز نانوذرات.
پردازشگر فراصوتی صنعتی UIP16000 (16kW) برای سنتز نانوذرات نقره در مقیاس بزرگ.
منابع / مراجع
- Reza Kazemi Oskuee, Azhar Banikamali, Bibi Sedigheh Fazly Bazzaz, Hasan Ali Hosseini, Majid Darroudi (2016): Honey-Based and Ultrasonic-Assisted Synthesis of Silver Nanoparticles and Their Antibacterial Activities. Journal of Nanoscience and Nanotechnology Vol. 16, 7989–7993, 2016.
- Eranga Roshan Balasooriya et al. (2017): Honey Mediated Green Synthesis of Nanoparticles: New Era of Safe Nanotechnology. Journal of Nanomaterials Volume 2017.
- D. Madhesh, S. Kalaiselvam (2014): Experimental Analysis of Hybrid Nanofluid as a Coolant. Procedia Engineering, Volume 97, 2014. 1667-1675.
نکات دانستنی
نانوذرات نقره چیستند؟
نانوذرات نقره، ذراتی از نقره با اندازه‌ای بین 1nm و 100nm هستند. نانوذرات نقره مساحت سطح بسیار زیادی دارند که امکان تشکیل پیوندهای کئوردینانسی با شمار زیادی از لیگاندها را فراهم می‌کند.
نانوذرات نقره خواص نوری، الکتریکی و حرارتی منحصربه‌فردی دارند که آن‌ها را برای علم مواد و توسعه محصولات، برای مثال فتوولتائیک، الکترونیک، جوهرهای رسانا و حسگرهای زیستی / شیمیایی، بسیار ارزشمند می‌سازد.
کاربرد دیگری که هم‌اکنون به‌طور گسترده جا افتاده است، استفاده از نانوذرات نقره در پوشش‌های ضدمیکروبی است. امروزه بسیاری از منسوجات، صفحه‌کلیدها، پانسمان‌های زخم و تجهیزات زیست‌پزشکی حاوی نانوذرات نقره هستند که به‌طور پیوسته مقدار کمی یون نقره آزاد می‌کنند تا در برابر باکتری‌ها محافظت ایجاد کنند.
نانونقره چگونه در منسوجات استفاده می‌شود؟
نانوذرات نقره در تولید منسوجات به کار می‌روند؛ در این کاربرد، از Ag-NPs برای ساخت پارچه‌های پنبه‌ای با رنگ‌های قابل‌تنظیم، قابلیت‌های ضدباکتریایی و خواص فوق‌آب‌گریز خودترمیم‌شونده استفاده می‌شود. خاصیت ضدباکتریایی نانوذرات نقره امکان تولید پارچه‌هایی را فراهم می‌کند که بوی ناشی از باکتری‌ها (برای مثال بوی عرق) را تجزیه می‌کنند.
پوشش ضدباکتریایی برای پزشکی و ملزومات پزشکی چیست؟
نانوذرات نقره ویژگی‌های ضدباکتریایی، ضدقارچی و آنتی‌اکسیدانی دارند که آن‌ها را برای کاربردهای دارویی و پزشکی، مانند اقدامات دندان‌پزشکی، کاربردهای جراحی، درمان برای ترمیم زخم و تجهیزات زیست‌پزشکی، جذاب می‌کند. پژوهش‌ها نشان داده‌اند که نانوذرات نقره (Ag-nPs) رشد و تکثیر سویه‌های مختلف باکتری مانند Bacillus cereus، Staphylococcus aureus، Citrobacter koseri، Salmonella typhii، Pseudomonas aeruginosa، Escherichia coli، Klebsiella pneumonia، Vibrio parahaemolyticus و قارچ Candida albicans را مهار می‌کنند. اثر ضدباکتریایی / ضدقارچی از طریق نفوذ نانوذرات نقره به درون سلول‌ها و اتصال یون‌های Ag/Ag+ به زیست‌مولکول‌های سلول‌های میکروبی ایجاد می‌شود، به‌گونه‌ای که عملکرد آن‌ها مختل می‌شود.
آزمون MIC چیست؟
آزمون MIC (حداقل غلظت مهارکننده) کمترین غلظت یک ماده، مانند عامل ضدمیکروبی، را که برای مهار رشد قابل‌مشاهده یک میکروارگانیسم در شرایط برون‌تنی لازم است، تعیین می‌کند. این آزمون معمولاً با استفاده از رقت‌های متوالی در محیط کشت مایع و اندازه‌گیری رشد باکتری پس از انکوباسیون انجام می‌شود. درباره چگونگی تسهیل آزمون‌های MIC با ظرفیت پردازش بالا به کمک فراصوت‌دهی بیشتر بخوانید!