Voie sonochimique verte vers les nanoparticules d’argent
Les nanoparticules d’argent (AgNPs) sont des nanomatériaux fréquemment utilisés en raison de leurs propriétés antimicrobiennes, de leurs propriétés optiques et de leur conductivité électrique élevée. La voie sonochimique utilisant le kappa-carraghénane est une méthode de synthèse simple, pratique et respectueuse de l’environnement pour la préparation de nanoparticules d’argent. Le κ-carraghénane est utilisé comme stabilisant naturel et écologique, tandis que les ultrasons de puissance agissent comme agent réducteur vert.
La chimie verte exige un contrôle précis des paramètres. Nos ingénieurs spécialisés en nanomatériaux vous aideront à choisir la sonotrode, la géométrie de réacteur et les réglages de puissance adaptés afin de maximiser le rendement, de contrôler la morphologie des particules et de garantir une conformité totale aux principes de la chimie verte.
Ag+/κ-carraghénane (à gauche) et Ag/κ-carraghénane soumis à la sonication (à droite). La sonication a été réalisée avec l’UP400S pendant 90min.
[Elsupikhe et al. 2015]
Synthèse verte de nanoparticules d’argent par ultrasons
Elsupikhe et al. (2015) ont mis au point une voie de synthèse verte assistée par ultrasons pour la préparation de nanoparticules d’argent (AgNPs). La sonochimie est bien connue pour favoriser de nombreuses réactions en voie humide. La sonication permet de synthétiser des AgNPs avec le κ-carraghénane comme stabilisant naturel. La réaction se déroule à température ambiante et produit des nanoparticules d’argent de structure cristalline cfc, sans aucune impureté. La distribution granulométrique des AgNPs peut être influencée par la concentration en κ-carraghénane.
Schéma de l’interaction entre les groupes chargés des Ag-NPs recouvertes de κ-carraghénane sous sonication. [Elsupikhe et al. 2015]
Procédure : synthèse durable de nanoparticules d’argent
- Les Ag-NPs ont été synthétisées par réduction de l’AgNO3 par sonication en présence de κ-carraghénane. Pour obtenir différents échantillons, cinq suspensions ont été préparées en ajoutant 10 mL d’une solution 0,1 M d’AgNO3 à 40 mL de κ-carraghénane. Les solutions de κ-carraghénane utilisées étaient respectivement à 0,1, 0,15, 0,20, 0,25 et 0,3 wt%.
- Les solutions ont été agitées pendant 1h afin d’obtenir l’AgNO3/κ-carraghénane.
- Les échantillons ont ensuite été exposés à une irradiation ultrasonore intense : l’amplitude de l’appareil à ultrasons UP400S (400W, 24kHz) a été réglée à 50 %. La sonication a été appliquée pendant 90min à température ambiante. La sonotrode du processeur de liquides à ultrasons UP400S a été immergée directement dans la solution réactionnelle.
- Après la sonication, les suspensions ont été centrifugées pendant 15min et lavées quatre fois à l’eau bidistillée afin d’éliminer les résidus d’ions argent. Les nanoparticules précipitées ont été séchées à 40°C sous vide pendant une nuit pour obtenir les Ag-NPs.
Équation
- nH₂O —sonication–> +H + OH
- OH + RH –> R + H₂O
- AgNo₃–hydrolyse–> Ag+ + NO₃–
- R + Ag+ —> Ag° + R’ + H+
- Ag+ + H –réductions–> Ag°
- Ag+ + H2O —> Ag° + OH + H+
Analyse et résultats : nanoparticules d’argent synthétisées par ultrasons
Pour évaluer les résultats, les échantillons ont été analysés par spectroscopie UV-visible, diffraction des rayons X, analyse chimique FT-IR, ainsi qu’au moyen d’images MET et MEB.
Le nombre d’Ag-NPs a augmenté avec la concentration croissante en κ-carraghénane. La formation d’Ag/κ-carraghénane a été déterminée par spectroscopie UV-visible, le maximum d’absorption du plasmon de surface ayant été observé entre 402 et 420nm. L’analyse par diffraction des rayons X (DRX) a montré que les Ag-NPs présentent une structure cubique à faces centrées. Le spectre infrarouge à transformée de Fourier (FT-IR) a indiqué la présence d’Ag-NPs dans le κ-carraghénane. L’image de microscopie électronique en transmission (MET) correspondant à la concentration la plus élevée de κ-carraghénane a montré la distribution des Ag-NPs, avec une taille moyenne de particules proche de 4,21nm. Les images de microscopie électronique à balayage (MEB) ont mis en évidence la forme sphérique des Ag-NPs. L’analyse MEB montre qu’avec l’augmentation de la concentration en κ-carraghénane, des modifications de la surface de l’Ag/κ-carraghénane se sont produites, de sorte que des Ag-NPs de petite taille et de forme sphérique ont été obtenues.
Images MET et distributions granulométriques correspondantes pour l’Ag/κ-carraghénane synthétisé par voie sonochimique à différentes concentrations de κ-carraghénane. [0,1%, 0,2% et 0,3%, respectivement (a, b, c)].
UP400S – l’appareil à ultrasons utilisé pour la synthèse sonochimique de nanoparticules d’Ag
Bibliographie/Références
- Elsupikhe, Randa Fawzi; Shameli, Kamyar; Ahmad, Mansor B; Ibrahim, Nor Azowa; Zainudin, Norhazlin (2015): Green sonochemical synthesis of silver nanoparticles at varying concentrations of κ-carrageenan. Nanoscale Research Letters 10. 2015.
- Reza Kazemi Oskuee, Azhar Banikamali, Bibi Sedigheh Fazly Bazzaz, Hasan Ali Hosseini, and 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.
- Bose, Rahul & Roychoudhury, Piya & Pal, Ruma (2021): In-situ green synthesis of fluorescent silica–silver conjugate nanodendrites using nanoporous frustules of diatoms: an unprecedented approach. Bioprocess and Biosystems Engineering 44, 2021
- I. De La Calle, N. Cabaleiro, M. Costas, F. Pena, S. Gil, I. Lavilla, C. Bendicho (2011): Ultrasound-assisted extraction of gold and silver from environmental samples using different extractants followed by electrothermal-atomic absorption spectrometry. Microchemical Journal, Volume 97, Issue 2, 2011. 93-100.
Foire aux questions : synthèse sonochimique verte de nanoparticules d’argent
Comment les ultrasons améliorent-ils la synthèse verte de nanoparticules d’argent ?
Les ultrasons génèrent une cavitation acoustique, créant des points chauds localisés qui réduisent rapidement les ions argent à l’aide d’agents écologiques. Ce procédé sonochimique accélère la cinétique réactionnelle, favorise une nucléation uniforme et permet un contrôle précis de la taille et de la forme des particules – le tout sans produits chimiques agressifs ni énergie thermique élevée.
Quels sont les principaux avantages d’une voie sonochimique verte pour les AgNPs ?
La synthèse sonochimique verte associe les ultrasons à des agents réducteurs et de coiffage biocompatibles (tels que des extraits végétaux, des sucres ou des polymères) pour produire des nanoparticules d’argent non toxiques et sans danger pour l’environnement. Cette méthode réduit la consommation d’énergie, raccourcit la durée de synthèse, élimine les sous-produits dangereux et fournit des nanoparticules très stables présentant une distribution granulométrique homogène.
Les ultrasons permettent-ils de contrôler la taille et la morphologie des nanoparticules d’argent ?
Oui. En ajustant l’amplitude ultrasonore, la fréquence, la densité de puissance et la durée de sonication, les fabricants peuvent régler finement les vitesses de nucléation et de croissance. Cela permet une production reproductible d’AgNPs de 5–100 nm sous diverses formes (sphères, cubes, plaquettes triangulaires), adaptées à des applications biomédicales, électroniques ou industrielles spécifiques.
La synthèse verte par ultrasons est-elle transposable à la production industrielle d’AgNPs ?
Absolument. Les processeurs à ultrasons industriels prennent en charge des réacteurs à circulation continue qui permettent de passer sans difficulté des lots de laboratoire à la production à pleine échelle. La sonication en ligne garantit une distribution uniforme de la cavitation, une surveillance du procédé en temps réel et une constance d’un lot à l’autre, ce qui la rend idéale pour une fabrication écologique d’AgNPs en grands volumes.
Quels agents réducteurs verts conviennent le mieux à la synthèse de nanoparticules d’argent par ultrasons ?
Parmi les agents écologiques efficaces figurent les extraits botaniques (par ex. aloès, thé vert, écorces d’agrumes), les glucides, les acides aminés, les protéines et les polymères biodégradables. Les ultrasons renforcent leur efficacité réductrice et stabilisante, ce qui permet de remplacer entièrement les produits chimiques de synthèse tout en conservant un rendement élevé, une bonne stabilité colloïdale et des performances fonctionnelles.
Comment la synthèse sonochimique se compare-t-elle aux méthodes chimiques traditionnelles pour les AgNPs ?
Les voies chimiques conventionnelles reposent souvent sur des réducteurs toxiques (par ex. le borohydrure de sodium) et des pH extrêmes, et génèrent des déchets dangereux. La synthèse sonochimique verte utilise des matériaux sûrs et renouvelables, fonctionne à température ambiante ou modérée, réduit considérablement la durée de traitement et produit des nanoparticules plus propres et plus biocompatibles, dotées d’une dispersion et d’une durée de conservation supérieures.
Quelles industries tirent profit des nanoparticules d’argent vertes obtenues par ultrasons ?
Les AgNPs synthétisées par des méthodes sonochimiques vertes sont largement utilisées dans les revêtements antimicrobiens, les dispositifs médicaux, le soin des plaies, la filtration de l’eau, l’électronique flexible et les emballages durables. Leur production écologique garantit la conformité aux normes environnementales et de sécurité strictes, tout en offrant des performances élevées et une acceptation réglementaire.
Que sont les nanoparticules d’argent ?
Les nanoparticules d’argent se caractérisent par une taille comprise entre 1nm et 100nm. Bien qu’elles soient souvent qualifiées d’« argent », certaines sont composées en grande partie d’oxyde d’argent en raison de leur rapport élevé entre atomes d’argent de surface et atomes d’argent du volume. Les nanoparticules d’argent peuvent présenter différentes structures. Le plus souvent, ce sont des nanoparticules d’argent sphériques qui sont synthétisées, mais des formes en losange, octogonales et en feuillets minces sont également utilisées.
Les nanoparticules d’argent sont très répandues dans les applications médicales. Les ions argent sont bioactifs et possèdent de puissants effets antimicrobiens et germicides. Leur surface spécifique extrêmement grande permet la coordination de nombreux ligands. D’autres caractéristiques importantes sont leur conductivité et leurs propriétés optiques uniques.
En raison de leurs propriétés conductrices, les nanoparticules d’argent sont souvent incorporées dans des composites, des plastiques, des résines époxy et des adhésifs. Les particules d’argent augmentent la conductivité électrique ; c’est pourquoi les pâtes et encres à l’argent sont fréquemment utilisées dans la fabrication de composants électroniques. Comme les nanoparticules d’argent supportent des plasmons de surface, les AgNPs possèdent des propriétés optiques remarquables. Les nanoparticules d’argent plasmoniques sont utilisées pour des capteurs, des détecteurs et des équipements analytiques tels que la spectroscopie Raman exaltée de surface (SERS) et la spectroscopie de fluorescence exaltée par champ de plasmons de surface (SPFS).
Qu’est-ce que le carraghénane ?
Le carraghénane est un polymère naturel bon marché présent dans diverses espèces d’algues rouges. Les carraghénanes sont des polysaccharides sulfatés linéaires largement utilisés dans l’industrie alimentaire pour leurs propriétés gélifiantes, épaississantes et stabilisantes. Leur principale application concerne les produits laitiers et carnés, en raison de leur forte liaison aux protéines alimentaires. Il existe trois principales variétés de carraghénane, qui diffèrent par leur degré de sulfatation. Le kappa-carraghénane possède un groupe sulfate par disaccharide. Le iota-carraghénane (ι-carraghénane) possède deux sulfates par disaccharide. Le lambda-carraghénane (λ-carraghénane) possède trois sulfates par disaccharide.
Le kappa-carraghénane (κ-carraghénane) présente une structure linéaire de polysaccharide sulfaté composé de D-galactose et de 3,6-anhydro-D-galactose.
Le κ-carraghénane est largement utilisé dans l’industrie alimentaire, par ex. comme gélifiant et pour la modification de la texture. On le trouve comme additif dans les crèmes glacées, la crème, le fromage cottage, les milkshakes, les sauces pour salade, les laits concentrés sucrés, le lait de soja et autres boissons végétales, ainsi que dans les sauces, afin d’augmenter la viscosité du produit.
En outre, le κ-carraghénane se retrouve dans des produits non alimentaires, par exemple comme épaississant dans les shampooings et les crèmes cosmétiques, dans le dentifrice (comme stabilisant pour empêcher la séparation des constituants), dans la mousse anti-incendie (comme épaississant pour rendre la mousse adhérente), dans les gels désodorisants, dans le cirage (pour augmenter la viscosité), en biotechnologie pour immobiliser des cellules/enzymes, en pharmacie (comme excipient inactif dans les pilules/comprimés), dans les aliments pour animaux de compagnie, etc.
Images MEB de l’Ag/κ-carraghénane à différentes concentrations de κ-carraghénane. [0,1%, 0,2% et 0,3 %, respectivement (a, b, c)]. [Elsupikhe et al. 2015]