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 pour 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 en R&D et des processus industriels en raison des propriétés uniques de l'or de taille nanométrique, notamment ses caractéristiques électroniques, magnétiques et optiques, ses effets de taille quantique, la résonance plasmonique de surface, sa forte activité catalytique et son auto-assemblage. 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

Des particules d'or nanostructurées peuvent être synthétisées par différentes voies en utilisant l'ultrasonication haute performance. La sonication est non seulement une technique simple, efficace et fiable, mais elle crée également les conditions nécessaires à la réduction chimique des ions 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. de taille et de 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 modestement monodispersées d'environ 10 à 20 nm de diamètre. Des particules plus grandes peuvent être produites, mais au prix 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 via la formation de nanofils d'or transitoires. Ces nanofils d'or sont responsables de l'aspect sombre de la solution réactionnelle avant qu'elle ne devienne rouge rubis.
Fuentes-García et al. (2020), qui ont synthétisé des nanoparticules d'or par voie sonochimique, signalent qu'il est possible de fabriquer des nanoparticules d'or avec une interaction d'absorption élevée en utilisant l'ultrasonication comme seule source d'énergie, en réduisant les exigences du laboratoire et en contrôlant les propriétés en modifiant des 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 monodispersées en solution aqueuse dans des conditions atmosphériques.

La méthode Turkevich-Frens par ultrasons

Une modification de la voie réactionnelle décrite ci-dessus est la méthode Turkevich-Frens, qui est un procédé simple à étapes multiples pour la synthèse de nanoparticules d'or. L'ultrasonication favorise la voie de réaction Turkevich-Frens de la même manière que la voie Turkevich. L'étape initiale du processus à étapes multiples de Turkevich-Frens, où les réactions se produisent en série et en parallèle, est l'oxydation du citrate qui donne de la dicarboxyacétone. Ensuite, le sel aurique est réduit en sel aurique et en Au⁰et le sel aurique est assemblé sur l'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 la dicarboxyacétone résultant de l'oxydation du citrate, plutôt que le citrate lui-même, agit comme le véritable stabilisateur des AuNP 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 de la taille des nanoparticules d'or (AuNP). Ces conditions de la réaction de Turkevich-Frens produisent des nanoparticules d'or presque monodispersées 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 AuNPs stabilisées au citrate sont toujours plus grandes que 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 D₂Pour augmenter le pouvoir réducteur du citrate, la combinaison de D₂O et C₆H₉Na₃la₉. (cf. Zhao et al., 2013)

Protocole pour la voie sonochimique Turkevich-Frens

Afin de synthétiser des nanoparticules d'or selon une procédure ascendante par la méthode de Turkevich-Frens, 50mL d'acide chloroaurique (HAuCl₄), 0,025 mM est versé dans un bécher en verre de 100 mL, dans lequel 1 mL de solution aqueuse de citrate trisodique à 1,5 % (p/v) (Na₃Ct) est ajouté sous ultrasonication à température ambiante. L'ultrasonication a été effectuée à 60W, 150W et 210W. Le Na₃Ct/HAuCl₄ utilisé dans les échantillons est de 3:1 (p/v). Après ultrasonication, les solutions colloïdales ont montré différentes couleurs, violet pour les échantillons de 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 et la cinétique de réaction pour leur formation. Des nanoparticules d'or de 16 nm et 12 nm peuvent être produites par une procédure sonochimique adaptée. (Fuentes-García et al., 2021)

(a,b) Image TEM et (c) distribution de taille des nanoparticules d'or (AuNPs) synthétisées par voie sonochimique.
Image et étude : © Dheyab et al., 2020.

Sonolyse des nanoparticules d'or

Une autre méthode pour la 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 être conduite de différentes manières. Par exemple, la sonication d'une solution aqueuse de HAuCl₄ avec le glucose, les radicaux hydroxyle et les radicaux de pyrolyse du sucre jouent le rôle d'agents réducteurs. Ces radicaux se forment dans la région interfaciale entre les cavités qui s'effondrent, créées par des ultrasons intenses, et l'eau en vrac. La morphologie des nanostructures d'or est constituée 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 recouverts de citrate comprennent HAuCl₄de citrate de sodium et d'eau distillée. Afin de préparer l'échantillon, la première étape a consisté à dissoudre le HAuCl₄ dans de l'eau distillée à une concentration de 0,03 M. Ensuite, la solution de HAuCl₄ (2 mL) a été ajouté 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 min à une puissance de sondage de 17,9 W-cm²
(cf. Dhabey at al. 2020)

Synthèse de nanoceinture d'or par sonication

Des nanobelts cristallins uniques (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 soniochimique 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)

Des tensioactifs pour influencer la synthèse sonochimique des NPs 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 d'une solution aqueuse de HAuCl₄ comme le montrent les équations suivantes (1-4) :
(1) H₂ O -> H∙ + OH∙
(2) sucre -> radicaux de pyrolyse
(3) AIII + radicaux réducteurs -> Au⁰
(4) nAu⁰ -> AuNP (nanobelts)
(cf. Zhao et al., 2014)

La puissance des ultrasons de type sonde

Les sondes ou sonotrodes à ultrasons (également appelées cornets à ultrasons) délivrent des ultrasons de haute intensité et une cavitation acoustique sous une forme très focalisée dans des solutions chimiques. Cette transmission efficace et précisément contrôlable d'ultrasons de puissance permet d'obtenir des conditions fiables, précisément contrôlables et reproductibles, dans lesquelles les voies de réaction chimique peuvent être initiées, intensifiées et commutées. En revanche, un bain à ultrasons (également connu sous le nom de nettoyeur ou de cuve à ultrasons) délivre des ultrasons avec une densité de puissance très faible et des points de cavitation aléatoires dans un grand volume de liquide. Cela rend les bains à ultrasons peu fiables pour toute réaction sonochimique.
"Les bains de nettoyage par ultrasons ont une densité de puissance qui correspond à un faible pourcentage de celle générée par un cornet à ultrasons. L'utilisation des bains de nettoyage en sonochimie est limitée, étant donné qu'une taille et une morphologie de particules totalement homogènes ne sont pas toujours atteintes. Ceci 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

Hielscher Ultrasons fournit des processeurs à ultrasons puissants et fiables pour la synthèse sonochimique (sono-synthèse) de nanoparticules telles que les nanostructures en or et autres métaux nobles. L'agitation et la dispersion par ultrasons augmentent le transfert de masse dans les systèmes hétérogènes et favorisent le mouillage puis la nucléation des amas d'atomes afin de précipiter les nanoparticules. La synthèse par ultrasons de nanoparticules est une méthode simple, rentable, biocompatible, reproductible, rapide et sûre.
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Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasonicators: