Voie sonochimique verte pour les nanoparticules d'argent
Les nanoparticules d'argent (AgNP) 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 carraghénane kappa 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 stabilisateur naturel respectueux de l'environnement, tandis que les ultrasons de puissance agissent comme un agent réducteur vert.
La chimie verte exige un contrôle précis des paramètres. Nos ingénieurs spécialisés dans les nanomatériaux vous aideront à choisir la sonotrode, la géométrie du réacteur et les réglages de puissance adaptés afin d'optimiser le rendement, de contrôler la morphologie des particules et de garantir le respect total des principes de la chimie verte.
Ag+/κ-carraghénane (à gauche) et Ag/κ-carraghénane traité par ultrasons (à droite). Le traitement par ultrasons a été réalisé à l'aide de l'UP400S pendant 90 minutes.
[Elsupikhe et al., 2015]
Synthèse ultrasonique verte de nanoparticules d'argent
Elsupikhe et al. (2015) ont développé 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 de chimie humide. La sonication permet de synthétiser des AgNPs avec du κ-carraghénane comme stabilisateur naturel. La réaction se déroule à température ambiante et produit des nanoparticules d'argent avec une structure cristalline fcc sans aucune impureté. La distribution de la taille des particules d'argent peut être influencée par la concentration de κ-carraghénane.
Schéma de l'interaction entre les groupes chargés des Ag-NPs qui sont recouverts de κ-carraghénane sous sonication. [Elsupikhe et al. 2015]
Procédé : synthèse durable de nanoparticules d'argent
- Les Ag-NPs ont été synthétisées en réduisant les AgNO3 par ultrasons en présence de κ-carraghénane. Pour obtenir différents échantillons, cinq suspensions ont été préparées en ajoutant 10 ml de 0,1 M AgNO3 à 40 ml de κ-carraghénane. Les solutions de κ-carraghénane utilisées étaient respectivement de 0,1, 0,15, 0,20, 0,25 et 0,3 % en poids.
- Les solutions ont été agitées pendant 1 heure pour obtenir des AgNO3/κ-carrageenan.
- Les échantillons ont ensuite été exposés à une irradiation ultrasonique intense : L'amplitude de l'appareil à ultrasons UP400S (400W, 24kHz) a été réglée à 50%. La sonication a été appliquée pendant 90 minutes à température ambiante. La sonotrode des processeurs de liquides à ultrasons UP400S a été immergé directement dans la solution de réaction.
- Après la sonication, les suspensions ont été centrifugées pendant 15 minutes et lavées quatre fois avec de l'eau doublement distillée pour éliminer les résidus d'ions d'argent. Les nanoparticules précipitées ont été séchées à 40°C sous vide pendant une nuit pour obtenir les Ag-NP.
Équation
- pas d'eau —Sonication–> +H + OH
- OH + RH –> R + H₂O
- No₃–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, images TEM et SEM.
Le nombre de nanoparticules d'argent (Ag-NP) augmentait avec l'augmentation des concentrations de κ-carraghénane. La formation du complexe Ag/κ-carraghénane a été mise en évidence par spectroscopie UV-visible, où le maximum d'absorption des plasmons de surface a été observé entre 402 et 420 nm. L'analyse par diffraction des rayons X (DRX) a montré que les nanoparticules d'argent (Ag-NPs) présentent une structure cubique à faces centrées. Le spectre infrarouge à transformée de Fourier (FT-IR) a indiqué la présence de nanoparticules d’argent (Ag-NPs) dans le κ-carraghénane. L’image obtenue par microscopie électronique à transmission (MET) pour la concentration la plus élevée en κ-carraghénane a montré la distribution des nanoparticules d’argent avec une taille moyenne de particules proche de 4,21 nm. Les images de microscopie électronique à balayage (MEB) ont mis en évidence la forme sphérique des nanoparticules d’argent. L’analyse MEB montre qu’avec l’augmentation de la concentration en κ-carraghénane, des modifications de la surface du complexe Ag/κ-carraghénane se sont produites, permettant d’obtenir des nanoparticules d’argent de petite taille et de forme sphérique.
Images TEM et distributions de taille correspondantes pour les Ag/κ-carraghénanes synthétisés par voie sonochimique à différentes concentrations de κ-carraghénanes. [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
Littérature/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
En quoi les ultrasons améliorent-ils la synthèse « verte » des nanoparticules d'argent ?
Les ultrasons provoquent une cavitation acoustique, créant ainsi des zones de concentration localisées qui réduisent rapidement les ions d'argent à l'aide d'agents respectueux de l'environnement. Ce procédé sonochimique accélère la cinétique de réaction, favorise une nucléation uniforme et permet un contrôle précis de la taille et de la forme des particules, le tout sans recourir à des produits chimiques agressifs ni à une énergie thermique élevée.
Quels sont les principaux avantages d'une méthode sonochimique « verte » pour la production de nanoparticules d'argent (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) afin de produire des nanoparticules d'argent non toxiques et respectueuses de l'environnement. Cette méthode permet de réduire la consommation d'énergie, de raccourcir la durée de synthèse, d'éliminer les sous-produits dangereux et d'obtenir 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, la fréquence et la densité de puissance des ultrasons, ainsi que la durée de sonication, les fabricants peuvent régler avec précision les taux de nucléation et de croissance. Cela permet une production reproductible de nanoparticules d'argent (AgNPs) de 5 à 100 nm, sous diverses formes (sphères, cubes, plaques triangulaires), adaptées à des applications biomédicales, électroniques ou industrielles spécifiques.
La synthèse « verte » par ultrasons est-elle transposable à l'échelle industrielle pour la production de nanoparticules d'argent (AgNP) ?
Tout à fait. Les processeurs à ultrasons industriels permettent de : réacteurs à flux continu qui permettent une transition en toute fluidité des lots de laboratoire à la production à grande échelle. La sonication en ligne garantit une répartition homogène de la cavitation, un suivi du processus en temps réel et une homogénéité d'un lot à l'autre, ce qui en fait la solution idéale pour la fabrication à grand volume et respectueuse de l'environnement d'AgNP.
Quels agents réducteurs « verts » donnent les meilleurs résultats dans la synthèse par ultrasons de nanoparticules d'argent ?
Parmi les agents écologiques efficaces, on trouve les extraits végétaux (par exemple, l'aloès, le thé vert, les écorces d'agrumes), les glucides, les acides aminés, les protéines et les polymères biodégradables. Les ultrasons renforcent leur efficacité réductrice et stabilisante, permettant ainsi de remplacer entièrement les produits chimiques synthétiques tout en conservant un rendement élevé, une stabilité colloïdale et des performances fonctionnelles optimales.
En quoi la synthèse sonochimique se distingue-t-elle des méthodes chimiques traditionnelles pour la production de nanoparticules d'argent (AgNPs) ?
Les procédés chimiques classiques font souvent appel à des agents réducteurs toxiques (par exemple, le borohydrure de sodium) et à des pH extrêmes, et génèrent des déchets dangereux. La synthèse sonochimique « verte » utilise des matériaux sûrs et renouvelables, s'effectue à température ambiante ou à des températures modérées, réduit considérablement la durée du traitement et permet d'obtenir des nanoparticules plus propres et plus biocompatibles, présentant une meilleure dispersion et une durée de conservation supérieure.
Quels sont les secteurs qui tirent profit des nanoparticules d'argent produites par ultrasons de manière écologique ?
Les nanoparticules d'argent (AgNPs) synthétisées par des méthodes sonochimiques « vertes » sont largement utilisées dans les revêtements antimicrobiens, les dispositifs médicaux, le traitement des plaies, la filtration de l'eau, l'électronique flexible et les emballages durables. Leur production respectueuse de l'environnement garantit le respect de normes environnementales et de sécurité strictes, tout en offrant des performances élevées et une conformité réglementaire.
Que sont les nanoparticules d'argent ?
Les nanoparticules d'argent se caractérisent par une taille comprise entre 1 et 100 nm. Bien qu'elles soient souvent décrites comme étant de l'"argent", les nanoparticules d'argent se caractérisent par leur taille.’ Certaines sont composées d'un pourcentage élevé d'oxyde d'argent en raison de leur rapport élevé entre les atomes d'argent de surface et les atomes d'argent en vrac. Les nanoparticules d'argent peuvent avoir différentes structures. Le plus souvent, des nanoparticules d'argent sphériques sont synthétisées, mais des feuilles diamantées, octogonales et minces sont également utilisées.
Les nanoparticules d'argent sont très utilisées dans les applications médicales. Les ions d'argent sont bioactifs et ont de puissants effets antimicrobiens et germicides. Leur surface extrêmement grande permet la coordination de nombreux ligands. D'autres caractéristiques importantes sont la conductivité et des propriétés optiques uniques.
En raison de leurs caractéristiques conductrices, les nanoparticules d'argent sont souvent incorporées dans les composites, les plastiques, les époxy et les adhésifs. Les particules d'argent augmentent la conductivité électrique ; c'est pourquoi les pâtes et les encres d'argent sont fréquemment utilisées dans la fabrication de produits électroniques. Comme les nanoparticules d'argent supportent les plasmons de surface, les AgNP ont des propriétés optiques exceptionnelles. Les nanoparticules d'argent plasmoniques sont utilisées pour les capteurs, les détecteurs et les équipements analytiques tels que la spectroscopie Raman améliorée par la surface (SERS) et la spectroscopie de fluorescence améliorée par les champs de plasmons de surface (SPFS).
Qu'est-ce que le carraghénane ?
Le carraghénane est un polymère naturel bon marché que l'on trouve 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. Ils sont principalement utilisés dans les produits laitiers et les produits à base de viande, en raison de leur forte liaison aux protéines alimentaires. Il existe trois variétés principales de carraghénanes, qui diffèrent par leur degré de sulfatation. La kappa-carraghénane possède un groupe sulfate par disaccharide. La carraghénine Iota (ι-carraghénine) possède deux sulfates par disaccharide. La carraghénine lambda (λ-carraghénine) contient trois sulfates par disaccharide.
Le carraghénane kappa (κ-carraghénane) a une structure linéaire de polysaccharide sulfaté de D-galactose et de 3,6-anhydro-D-galactose.
Le κ- carraghénane est largement utilisé dans l'industrie alimentaire, par exemple comme agent gélifiant et pour modifier la texture. On le trouve comme additif dans les crèmes glacées, les crèmes, le fromage blanc, les milk-shakes, les vinaigrettes, les laits condensés sucrés, le lait de soja, etc. & d'autres laits végétaux et des sauces pour augmenter la viscosité du produit.
En outre, le κ-carraghénane peut être trouvé dans des produits non alimentaires tels que l'épaississant dans les shampooings et les crèmes cosmétiques, dans le dentifrice (comme stabilisateur pour empêcher la séparation des constituants), la mousse anti-incendie (comme épaississant pour rendre la mousse collante), les gels désodorisants, le cirage (pour augmenter la viscosité), dans la biotechnologie pour immobiliser les cellules/enzymes, dans les produits pharmaceutiques (comme excipient inactif dans les pilules/comprimés), dans les aliments pour animaux de compagnie, etc.
Images SEM pour Ag/κ-carraghénane à différentes concentrations de κ-carraghénane. [0,1 %, 0,2 % et 0,3 %, respectivement (a, b, c)]. [Elsupikhe et al. 2015]