Synthèse efficace et contrôlée de nanoparticules d'or

Des nanoparticules d'or de forme et de morphologie uniformes peuvent être synthétisées efficacement par voie sonochimique. La réaction chimique de synthèse des nanoparticules d'or favorisée par les ultrasons peut être contrôlée avec précision en ce qui concerne la taille, la forme (par exemple, nanosphères, nanorods, nanobelts, etc.) et la morphologie des particules. La procédure chimique efficace, simple, rapide et écologique permet une production fiable de nanostructures d'or à l'échelle industrielle.

Nanoparticules et nanostructures d'or

Les nanoparticules d'or et les structures de taille nanométrique sont largement utilisées dans le domaine de la recherche et du développement.&D et les processus industriels en raison des propriétés uniques de l'or nanométrique, notamment les caractéristiques électroniques, magnétiques et optiques, les effets de taille quantique, la résonance plasmonique de surface, l'activité catalytique élevée et l'auto-assemblage, entre autres propriétés. Les domaines d'application des nanoparticules d'or (Au-NP) vont de l'utilisation comme catalyseur à la fabrication de dispositifs nanoélectroniques, en passant par l'imagerie, la nanophotonique, la nanomagnétique, les biocapteurs, les capteurs chimiques, les applications optiques et théranostiques, l'administration de médicaments et d'autres utilisations.

Méthodes de synthèse des nanoparticules d'or

Les particules d'or nanostructurées peuvent être synthétisées par différentes voies en utilisant une ultrasonication très performante. L'ultrasonication est non seulement une technique simple, efficace et fiable, mais elle crée également les conditions nécessaires à la réduction chimique des ions d'or sans agents chimiques toxiques ou agressifs et permet la formation de nanoparticules de métaux nobles de différentes morphologies. Le choix de la voie et du traitement sonochimique (également connu sous le nom de sonosynthèse) permet de produire des nanostructures d'or telles que des nanosphères, des nanorods, des nanobelts, etc. d'une taille et d'une morphologie uniformes.
Vous trouverez ci-dessous une sélection de méthodes sonochimiques pour la préparation de nanoparticules d'or.

Méthode Turkevich améliorée par ultrasons

La sonication est utilisée pour intensifier la réaction de réduction du citrate de Turkevich ainsi que les procédures de Turkevich modifiées.
La méthode de Turkevich produit des nanoparticules d'or sphériques modérément monodisperses d'environ 10 à 20 nm de diamètre. Il est possible de produire des particules plus grandes, mais au détriment de la monodispersité et de la forme. Dans cette méthode, l'acide chloroaurique chaud est traité avec une solution de citrate de sodium, ce qui produit de l'or colloïdal. La réaction de Turkevich se déroule par la formation de nanofils d'or transitoires. Ces nanofils d'or sont responsables de l'aspect sombre de la solution de réaction avant qu'elle ne devienne rouge rubis.
Fuentes-García et al. (2020), qui ont synthétisé des nanoparticules d'or par voie sonochimique, rapportent qu'il est possible de fabriquer des nanoparticules d'or à forte interaction d'absorption en utilisant les ultrasons comme seule source d'énergie, en réduisant les besoins en laboratoire et en contrôlant les propriétés par la modification de paramètres simples.
Lee et al. (2012) ont démontré que l'énergie ultrasonique est un paramètre clé pour produire des nanoparticules d'or sphériques (AuNPs) de tailles accordables de 20 à 50 nm. La sonosynthèse via la réduction du citrate de sodium produit des nanoparticules d'or sphériques monodisperses en solution aqueuse dans des conditions atmosphériques.

La méthode Turkevich-Frens utilisant les ultrasons

Une modification de la voie de réaction décrite ci-dessus est la méthode Turkevich-Frens, qui est un processus simple en plusieurs étapes pour la synthèse de nanoparticules d'or. Les ultrasons favorisent la voie de réaction de Turkevich-Frens de la même manière que la voie de Turkevich. L'étape initiale du processus en plusieurs étapes de Turkevich-Frens, où les réactions se produisent en série et en parallèle, est l'oxydation du citrate qui produit de l'acétone dicarboxy. Ensuite, le sel aurique est réduit en sel aurique et Au⁰et le sel aurifère est assemblé sur la surface Au⁰ pour former l'AuNP (voir le schéma ci-dessous).
 

Synthèse de nanoparticules d'or par la méthode de Turkevich.
schéma et étude : ©Zhao et al., 2013

Cela signifie que c'est l'acétone dicarboxy résultant de l'oxydation du citrate, et non le citrate lui-même, qui agit en tant que stabilisateur des nanoparticules d'or dans la réaction de Turkevich-Frens. Le sel de citrate modifie en outre le pH du système, ce qui influence la taille et la distribution des nanoparticules d'or (AuNP). Ces conditions de la réaction de Turkevich-Frens produisent des nanoparticules d'or presque monodisperses dont la taille est comprise entre 20 et 40 nm. La taille exacte des particules peut être modifiée par la variation du pH de la solution ainsi que par les paramètres ultrasoniques. Les nanoparticules d'or stabilisées par le citrate ont toujours une taille supérieure à 10 nm, en raison de la capacité de réduction limitée du citrate trisodique dihydraté. Cependant, l'utilisation de D₂O comme solvant au lieu de H2O pendant la synthèse des AuNPs permet de synthétiser des AuNPs avec une taille de particule de 5 nm. Comme l'ajout de D2O augmente le pouvoir réducteur du citrate, la combinaison de D2O et de C₆H₉Na₃O₉. (cf. Zhao et al., 2013)

Protocole pour la voie sonochimique Turkevich-Frens

Afin de synthétiser des nanoparticules d'or par une procédure ascendante via la méthode Turkevich-Frens, 50 ml d'acide chloroaurique (HAuCl₄), 0,025 mM est versé dans un bécher de verre de 100 mL, dans lequel 1 mL d'une solution aqueuse de citrate trisodique à 1,5 % (p/v) (Na₃Ct) est ajouté sous ultrasons à température ambiante. L'ultrasonication a été réalisée à 60W, 150W et 210W. Le Na₃Ct/HAuCl₄ utilisé dans les échantillons est de 3:1 (w/v). Après ultrasonication, les solutions colloïdales ont montré des couleurs différentes, violet pour 60 W et rouge rubis pour les échantillons de 150 et 210 W. Des nanoparticules d'or de plus petite taille et plus sphériques ont été produites en augmentant la puissance de sonication, conformément à la caractérisation structurelle. Fuentes-García et al. (2021) montrent dans leurs recherches la forte influence de l'augmentation de la sonication sur la taille des particules, la structure polyédrique et les propriétés optiques des nanoparticules d'or synthétisées par voie sonochimique, ainsi que sur la cinétique de réaction pour leur formation. Une procédure sonochimique adaptée permet de produire des nanoparticules d'or d'une taille de 16 nm et de 12 nm. (Fuentes-García et al., 2021)
 

(a,b) image TEM (échelle de 50 nm) et (c) distribution de taille des AuNPs synthétisées à un
puissance de sonication 17,9 Wcm2.
Image et étude : © Dheyab et al, 2020.

Sonolyse de nanoparticules d'or

Une autre méthode de génération expérimentale de particules d'or est la sonolyse, où les ultrasons sont appliqués pour la synthèse de particules d'or d'un diamètre inférieur à 10 nm. En fonction des réactifs, la réaction sonolytique peut se dérouler de différentes manières. Par exemple, la sonication d'une solution aqueuse de HAuCl₄ Avec le glucose, les radicaux hydroxyles et les radicaux de pyrolyse du sucre agissent en tant qu'agents réducteurs. Ces radicaux se forment dans la région interfaciale entre les cavités d'effondrement créées par des ultrasons intenses et l'eau en vrac. La morphologie des nanostructures d'or se présente sous la forme de nanorubans d'une largeur de 30 à 50 nm et d'une longueur de plusieurs micromètres. Ces rubans sont très flexibles et peuvent se plier avec des angles supérieurs à 90°. Lorsque le glucose est remplacé par la cyclodextrine, un oligomère du glucose, seules des particules d'or sphériques sont obtenues, ce qui suggère que le glucose est essentiel pour orienter la morphologie vers un ruban.

Protocole exemplaire pour la synthèse sonochimique de nano-or

Les matériaux précurseurs utilisés pour synthétiser les AuNPs recouvertes de citrate comprennent HAuCl4, le citrate de sodium et l'eau distillée. Pour préparer l'échantillon, la première étape a consisté à dissoudre HAuCl4 dans de l'eau distillée à une concentration de 0,03 M. Ensuite, la solution de HAuCl4 (2 mL) a été ajoutée goutte à goutte à 20 mL de solution aqueuse de citrate de sodium 0,03 M. Pendant la phase de mélange, une sonde ultrasonique à haute densité (20 kHz) munie d'un pavillon ultrasonique a été insérée dans la solution pendant 5 minutes à une puissance de 17,9 W-cm²
(cf. Dhabey at al. 2020)

Synthèse de nanobelt d'or par sonication

Des nanobelts cristallins (voir l'image TEM à gauche) peuvent être synthétisés par sonication d'une solution aqueuse de HAuCl4 en présence d'α-D-Glucose comme réactifs. Les nanobelts d'or synthétisés par voie sonochimique présentent une largeur moyenne de 30 à 50 nm et une longueur de plusieurs micromètres. La réaction ultrasonique pour la production de nanobelts d'or est simple, rapide et évite l'utilisation de substances toxiques. (cf. Zhang et al, 2006)

Tensioactifs pour influencer la synthèse sonochimique des NP d'or

L'application d'ultrasons intenses sur les réactions chimiques initie et favorise la conversion et les rendements. Afin d'obtenir une taille de particule uniforme et certaines formes / morphologies ciblées, le choix des tensioactifs est un facteur critique. L'ajout d'alcools permet également de contrôler la forme et la taille des particules. Par exemple, en présence d'a-d-glucose, les principales réactions dans le processus de sonolyse de HAuCl₄ comme le montrent les équations suivantes (1-4) :
(1) H₂ O —> H∙ + OH∙
(2) sugar —> pyrolysis radicals
(3) AIII + reducing radicals —> Au⁰
(4) nAu⁰ —> AuNP (nanobelts)
(cf. Zhao et al., 2014)

La puissance des ultrasons à sonde

Les sondes ultrasoniques ou sonotrodes (également appelées cornets à ultrasons) délivrent des ultrasons de haute intensité et des cavitations acoustiques sous une forme très ciblée dans les solutions chimiques. Cette transmission efficace et précisément contrôlable d'ultrasons de puissance permet de créer des conditions fiables, précisément contrôlables et reproductibles, dans lesquelles les voies de réaction chimique peuvent être initiées, intensifiées et commutées. En revanche, un bain ultrasonique (également connu sous le nom de nettoyeur ultrasonique ou de cuve) émet des ultrasons avec une densité de puissance très faible et des points de cavitation aléatoires dans un grand volume de liquide. Les bains à ultrasons ne sont donc pas fiables pour les réactions sonochimiques.
"Les bains de nettoyage à ultrasons ont une densité de puissance qui correspond à un petit pourcentage de celle générée par une corne à ultrasons. L'utilisation des bains de nettoyage en sonochimie est limitée, étant donné que la taille et la morphologie des particules ne sont pas toujours parfaitement homogènes. Cela est dû aux effets physiques des ultrasons sur les processus de nucléation et de croissance". (González-Mendoza et al. 2015)

Ultrasons à haute performance pour la synthèse de nanoparticules d'or

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