Synthèse de nano-argent à l’aide de miel et d’ultrasons

Le nano-argent est utilisé pour ses propriétés antibactériennes afin de renforcer les matériaux en médecine et en science des matériaux. Les ultrasons permettent une synthèse rapide, efficace, sûre et respectueuse de l’environnement de nanoparticules d’argent sphériques dans l’eau. La synthèse de nanoparticules par ultrasons peut facilement passer d’une production à petite échelle à une production à grande échelle.

Synthèse de nano-argent colloïdal assistée par ultrasons

La synthèse sonochimique, qui désigne les réactions chimiques facilitées par une irradiation ultrasonore, est une méthode largement utilisée pour produire des nanoparticules. Celles-ci comprennent l’argent, l’or, la magnétite, l’hydroxyapatite, la pérovskite, le latex et de nombreux autres nanomatériaux.

Synthèse par voie chimique humide sous ultrasons

Plusieurs voies de synthèse assistée par ultrasons ont été développées pour produire des nanoparticules d’argent. Une méthode notable utilise le miel à la fois comme agent réducteur et comme agent de protection de surface. Les composants du miel, tels que le glucose et le fructose, agissent en synergie dans ces rôles pendant le processus de synthèse.
Comme de nombreuses techniques de synthèse de nanoparticules, la synthèse de nano-argent par ultrasons relève de la chimie par voie humide. Le processus commence par la nucléation de nanoparticules d’argent au sein d’une solution. Pendant la sonication, un précurseur d’argent (par exemple, le nitrate d’argent (AgNO₃), ou le perchlorate d’argent (AgClO₄)) est réduit en présence d’un agent réducteur, tel que le miel, pour produire de l’argent colloïdal.

Mécanisme de nucléation et de croissance de l’argent sous ultrasons

Phase initiale de nucléation : À mesure que la concentration en ions d’argent dissous augmente, les ions d’argent métallique commencent à se lier pour former de petits agrégats. À ce stade, ces agrégats sont énergétiquement instables en raison d’un bilan énergétique négatif. L’énergie nécessaire pour créer de nouvelles surfaces dépasse l’énergie gagnée par la réduction de la concentration en argent dissous.

• Rayon critique : Lorsqu’un agrégat atteint une taille spécifique (le rayon critique), le processus devient énergétiquement favorable, ce qui stabilise l’agrégat. Cette stabilité permet à l’agrégat de servir de germe pour une croissance ultérieure.
• Phase de croissance : Pendant la croissance, des atomes d’argent supplémentaires diffusent dans la solution et se fixent à la surface de la nanoparticule en croissance. La croissance se poursuit jusqu’à ce que la concentration en argent dissous passe sous le seuil de nucléation, ce qui arrête la formation de nouveaux germes.
• Diffusion et achèvement : L’argent dissous restant est incorporé aux nanoparticules existantes, ce qui achève le processus.

La sonication accélère le transfert de matière, en particulier les processus de mouillage et de diffusion, ce qui entraîne une nucléation plus rapide et une croissance contrôlée. En ajustant précisément les paramètres de sonication, tels que l’intensité et la durée, il est possible de régler finement la taille, la vitesse de croissance et la forme des nanoparticules. Ce contrôle précis garantit des structures de nanoparticules homogènes, adaptées à des applications spécifiques.

La synthèse assistée par ultrasons se distingue comme une approche de chimie verte efficace et transposable à grande échelle pour produire du nano-argent aux propriétés bien définies, offrant des avantages considérables pour diverses applications dans la recherche et l’industrie.

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La sonication facilite la synthèse rapide et verte de petites nanoparticules d’argent présentant une distribution granulométrique étroite.

Étude de cas sur la synthèse de nano-argent par ultrasons

L’étude intitulée « Honey-Based and Ultrasonic-Assisted Synthesis of Silver Nanoparticles and Their Antibacterial Activities » d’Oskuee et al. (2016) explore une méthode simple et respectueuse de l’environnement pour synthétiser des nanoparticules d’argent (Ag-NPs) en utilisant du miel naturel à la fois comme agent réducteur et comme agent stabilisant. Le processus, qui implique la réduction du nitrate d’argent (AgNO₃) sous irradiation ultrasonore, est caractérisé par divers paramètres, notamment la concentration en ions d’argent, la concentration en miel et la durée de sonication. Les Ag-NPs obtenues ont une taille moyenne d’environ 11,8 nm et présentent des propriétés antibactériennes contre des bactéries pathogènes telles que Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa et E. coli.
L’étude souligne les avantages de l’utilisation du miel dans la synthèse de nanoparticules, en mettant l’accent sur son caractère écologique, peu coûteux et non toxique. Les auteurs démontrent que la taille et le rendement des Ag-NPs peuvent être contrôlés en ajustant les paramètres de réaction tels que la concentration en argent, la teneur en miel et la durée de sonication. Les Ag-NPs synthétisées ont montré une activité antibactérienne efficace, particulièrement contre E. coli et S. aureus, avec des concentrations minimales inhibitrices (MIC) d’environ 19,46 ppm. Cette méthode offre une application potentielle des Ag-NPs dans les domaines médicaux, notamment la cicatrisation des plaies et la lutte contre les infections.

• Matériaux : nitrate d’argent (AgNO₃) comme précurseur d’argent ; miel comme agent de protection de surface / réducteur ; eau
• Appareil à ultrasons : Sonicateur à sonde UP400St

Protocole de synthèse par ultrasons

Les meilleures conditions identifiées pour synthétiser des nanoparticules d’argent colloïdal sont les suivantes : réduction du nitrate d’argent sous ultrasons à l’aide de miel naturel. En bref, 20 ml de solution de nitrate d’argent (0,3 M) contenant du miel (20 wt%) ont été exposés à une irradiation ultrasonore de haute intensité dans les conditions ambiantes pendant 30 min. Le traitement par ultrasons a été réalisé avec l’appareil à ultrasons à sonde UP400S (400W, 24 kHz), immergé directement dans la solution réactionnelle.
Du miel de qualité alimentaire est utilisé comme agent de protection de surface / stabilisant et réducteur, ce qui rend la solution aqueuse de nucléation et les nanoparticules précipitées propres et sûres pour de multiples applications.
À mesure que la durée du traitement par ultrasons augmente, les nanoparticules d’argent deviennent plus petites et leur concentration augmente.
Dans la solution aqueuse de miel, le traitement par ultrasons est un facteur clé qui influence la formation des nanoparticules d’argent. Les paramètres de sonication, tels que l’amplitude, la durée et le mode ultrasonore continu ou pulsé, sont des facteurs majeurs permettant de contrôler la taille et la quantité des nanoparticules d’argent.

Distribution granulométrique des Ag-NPs synthétisées dans des conditions optimales ; concentrations en argent (0,3 M), concentrations en miel (20 wt%) et durées d’irradiation ultrasonore (30 min)
source de l’image : ©Oskuee et al. 2016

Résultat de la synthèse de nanoparticules d’argent par ultrasons

La synthèse favorisée par ultrasons et réalisée à l’aide de miel avec le sonicateur UP400St a produit des nanoparticules d’argent sphériques (Ag-NPs) d’une taille moyenne d’environ 11,8nm. La synthèse de nanoparticules d’argent par ultrasons est une méthode simple et rapide réalisée en un seul récipient. L’utilisation d’eau et de miel comme matériaux rend la réaction économique et particulièrement respectueuse de l’environnement.
La technique présentée de synthèse par ultrasons utilisant le miel comme agent réducteur et de protection de surface peut être étendue à d’autres métaux nobles, tels que l’or, le palladium et le cuivre, ce qui offre diverses applications supplémentaires, de la médecine à l’industrie.

Distribution granulométrique des Ag-NPs synthétisées dans des conditions optimales ; concentrations en argent (0,3 M), concentrations en miel (20 wt%) et durée d’irradiation ultrasonore (30 min)
Étude et image : ©Oskuee et al. 2016

Influencer la nucléation et la taille des particules par sonication

Les ultrasons permettent de produire des nanoparticules, telles que des nanoparticules d’argent, adaptées aux exigences. Trois modes généraux de sonication ont des effets importants sur le résultat :
Sonication initiale : L’application brève d’ondes ultrasonores à une solution sursaturée peut amorcer l’ensemencement et la formation de germes. Comme la sonication n’est appliquée que pendant la phase initiale, la croissance cristalline ultérieure se poursuit sans entrave, ce qui produit des cristaux plus gros.
Sonication continue : L’irradiation continue de la solution sursaturée produit de petits cristaux, car le traitement par ultrasons sans interruption crée de nombreux germes, ce qui entraîne la croissance de nombreux petits cristaux.
Sonication pulsée : Les ultrasons pulsés correspondent à l’application d’ultrasons à des intervalles déterminés. Un apport d’énergie ultrasonore précisément contrôlé permet d’influencer la croissance cristalline afin d’obtenir une taille de cristal adaptée.

Appareils à ultrasons haute performance pour la synthèse de nanoparticules

Hielscher Ultrasonics propose des processeurs à ultrasons puissants et fiables, conçus pour des applications sonochimiques avancées, notamment la sonosynthèse et la sonocatalyse. Le mélange et la dispersion par ultrasons améliorent considérablement le transfert de matière, favorisent le mouillage des agrégats d’atomes et facilitent leur nucléation ultérieure, ce qui conduit à une précipitation efficace des nanoparticules. La synthèse par ultrasons est reconnue comme une méthode simple, économique, biocompatible, reproductible, rapide et sûre pour produire des nanomatériaux de haute qualité. (En savoir plus sur la synthèse sonochimique de la pérovskite et des nanostructures de ZnO !)

Les appareils à ultrasons Hielscher sont conçus pour un contrôle précis, permettant des conditions optimales pour la nucléation et la croissance des nanomatériaux. Ces appareils numériques sont dotés d’un logiciel intelligent, d’un écran tactile couleur et d’un menu intuitif pour une utilisation sûre et conviviale. Ils disposent également d’un enregistrement automatique des données sur une carte SD intégrée, assurant une documentation fluide du processus.

Avec une gamme complète de systèmes – des appareils à ultrasons portatifs compacts de 50 watts pour le laboratoire aux systèmes industriels robustes de 16 000 watts – Hielscher fournit la solution ultrasonore idéale pour chaque application. Conçus pour durer, les équipements à ultrasons Hielscher sont construits pour fonctionner en continu dans des conditions de service intensif, même dans des environnements exigeants, et garantissent des performances fiables 24/7.
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos appareils à ultrasons :

Comparaison des méthodes conventionnelles et des méthodes de synthèse verte de nanoparticules.