Synthèse de nano-argent avec du miel et des 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 être facilement mise à l'échelle, de la petite à la grande production.

Synthèse assistée par ultrasons de nano-argent colloïdal

La synthèse sonochimique, qui fait référence aux réactions chimiques facilitées par l'irradiation ultrasonique, est une méthode largement appliquée pour produire des nanoparticules. Celles-ci comprennent l'argent, l'or, la magnétite, hydroxyapatite, chloroquine, Pérovskite, latex et de nombreux autres nanomatériaux.

Synthèse chimique humide par ultrasons

De nombreuses méthodes de synthèse assistées par ultrasons ont été mises au point pour produire des nanoparticules d'argent. Une méthode notable utilise le miel comme agent réducteur et comme agent d'enrobage. Les composants du miel, tels que le glucose et le fructose, agissent en synergie dans ces rôles au cours du processus de synthèse.
Comme de nombreuses techniques de synthèse de nanoparticules, la synthèse ultrasonique de nano-argent entre dans la catégorie de la chimie humide. Le processus commence par la nucléation de nanoparticules d'argent dans une solution. Pendant la sonication, un précurseur d'argent (par exemple, le nitrate d'argent (AgNO₃), ou du 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 par ultrasons

Phase initiale de nucléation : Au fur et à mesure que la concentration d'ions d'argent dissous augmente, les ions d'argent métalliques commencent à se lier pour former de petites grappes. À ce stade, ces amas sont énergétiquement instables en raison d'un bilan énergétique négatif. L'énergie requise pour créer de nouvelles surfaces dépasse l'énergie gagnée en réduisant la concentration d'argent dissous.

• Rayon critique : Lorsqu'un amas atteint une taille spécifique (le rayon critique), le processus devient énergétiquement favorable, ce qui stabilise l'amas. Cette stabilité permet à l'amas d'agir comme un noyau pour une croissance ultérieure.
• Phase de croissance : Au cours de la croissance, des atomes d'argent supplémentaires se diffusent dans la solution et se fixent à la surface des nanoparticules en croissance. La croissance se poursuit jusqu'à ce que la concentration d'argent dissous passe sous le seuil de nucléation, ce qui interrompt la formation de nouveaux noyaux.
• Diffusion et achèvement : L'argent dissous restant est incorporé dans les nanoparticules existantes, ce qui complète le processus.

La sonication accélère le transfert de masse, en particulier les processus de mouillage et de diffusion, ce qui accélère la nucléation et la croissance contrôlée. En ajustant précisément les paramètres de sonication, tels que l'intensité et la durée, la taille, le taux de croissance et la forme des nanoparticules peuvent être finement réglés. Ce contrôle précis permet d'obtenir des structures de nanoparticules cohérentes, adaptées à des applications spécifiques.

La synthèse assistée par ultrasons est une approche efficace, évolutive et écologique de la chimie pour produire du nano-argent aux propriétés bien définies, offrant des avantages significatifs pour diverses applications dans la recherche et l'industrie.

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La sonication facilite la synthèse rapide et écologique de petites nanoparticules d'argent avec une distribution de taille étroite.

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

L'étude intitulée “Synthèse de nanoparticules d'argent à base de miel et assistée par ultrasons et leurs activités antibactériennes” d'Oskuee et al. (2016) explore une méthode simple et écologique pour synthétiser des nanoparticules d'argent (Ag-NPs) en utilisant du miel naturel comme agent réducteur et stabilisateur. Le processus, qui implique la réduction du nitrate d'argent (AgNO₃) sous irradiation ultrasonique, est caractérisé par divers paramètres, notamment la concentration en ions argent, la concentration en miel et le temps 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 met en évidence les avantages de l'utilisation du miel dans la synthèse des nanoparticules, en insistant sur sa nature écologique, peu coûteuse et non toxique. Les auteurs démontrent que la taille et le rendement des Ag-NP peuvent être contrôlés en ajustant les paramètres de réaction tels que la concentration d'argent, la teneur en miel et la durée de la sonication. Les Ag-NP synthétisées se sont révélées posséder une activité antibactérienne efficace, en particulier contre E. coli et S. aureus, avec des concentrations minimales inhibitrices (CMI) d'environ 19,46 ppm. Cette méthode présente une application potentielle des Ag-NPs dans les domaines médicaux, y compris la cicatrisation des plaies et le contrôle des infections.

• Matériaux : le nitrate d'argent (AgNO₃) comme précurseur d'argent ; miel comme agent de fermeture/réduction ; eau
• Appareil à ultrasons : Sonicateur à sonde UP400St

Protocole de synthèse par ultrasons

Les meilleures conditions pour synthétiser des nanoparticules d'argent colloïdales sont les suivantes : Réduction du nitrate d'argent sous ultrasons grâce au miel naturel. En bref, 20 ml de solution de nitrate d'argent (0,3 M) contenant du miel (20 % en poids) ont été exposés à une irradiation ultrasonique de haute intensité dans des conditions ambiantes pendant 30 minutes. L'ultrasonication a été réalisée avec l'ultrasonateur de type sonde UP400S (400W, 24 kHz) immergé directement dans la solution de réaction.
Le miel de qualité alimentaire est utilisé comme agent d'enrobage, de stabilisation et de réduction, ce qui rend la solution aqueuse de nucléation et les nanoparticules précipitées propres et sûres pour de nombreuses applications.
Au fur et à mesure que le temps d'ultrasonisation augmente, les nanoparticules d'argent deviennent plus petites et leur concentration augmente.
Dans la solution aqueuse de miel, l'ultrason est un facteur clé qui influence la formation de nanoparticules d'argent. Les paramètres de sonification tels que l'amplitude, le temps et les ultrasons continus ou pulsés sont des facteurs majeurs qui permettent de contrôler la taille et la quantité des nanoparticules d'argent.

Distribution de la taille des particules d'Ag-NPs synthétisées dans des conditions optimales ; concentrations d'argent (0,3 M), concentrations de miel (20 % en poids) et durées d'irradiation ultrasonique (30 min).Source de l'image : ©Oskuee et al. 2016

Résultat de la synthèse ultrasonique des nanoparticules d'argent

La synthèse médiée par le miel et favorisée par les ultrasons avec le sonicateur UP400St a produit des nanoparticules d'argent sphériques (Ag-NP) d'une taille moyenne d'environ 11,8 nm. La synthèse ultrasonique des nanoparticules d'argent est une méthode simple et rapide en une seule étape. L'utilisation d'eau et de miel comme matériaux rend la réaction rentable et exceptionnellement respectueuse de l'environnement.
La technique présentée de synthèse ultrasonique utilisant le miel comme agent de réduction et d'enrobage peut être étendue à d'autres métaux nobles, tels que l'or, le palladium et le cuivre, ce qui offre de nombreuses applications supplémentaires, de la médecine à l'industrie.

Distribution de la taille des particules d'Ag-NPs synthétisées dans des conditions optimales ; concentrations d'argent (0,3 M), concentrations de miel (20 % en poids) et temps d'irradiation ultrasonique (30 min).Étude et photo : ©Oskuee et al. 2016

Influencer la nucléation et la taille des particules par la sonication

Les ultrasons permettent de produire des nanoparticules telles que des nanoparticules d'argent adaptées aux besoins. Trois options générales de sonication ont des effets importants sur le résultat :
Sonication initiale : L'application brève d'ondes ultrasonores à une solution sursaturée peut déclencher l'ensemencement et la formation de noyaux. Comme la sonication n'est appliquée que pendant la phase initiale, la croissance cristalline ultérieure se déroule sans entrave, ce qui permet d'obtenir des cristaux de plus grande taille.
Sonication continue : L'irradiation continue de la solution sursaturée produit de petits cristaux car l'ultrasonication non interrompue crée un grand nombre de noyaux, ce qui entraîne la croissance d'un grand nombre de petits cristaux.
Sonication pulsée : Les ultrasons pulsés désignent l'application d'ultrasons à intervalles déterminés. Un apport d'énergie ultrasonique contrôlé avec précision permet d'influencer la croissance des cristaux afin d'obtenir une taille de cristal adaptée.

Ultrasons à haute performance pour la synthèse de nanoparticules

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

Les 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 un fonctionnement sûr et convivial. En outre, ils sont dotés d'un système d'enregistrement automatique des données sur une carte SD intégrée, ce qui permet de documenter le processus en toute transparence.

Avec une gamme complète de systèmes - des ultrasons portables compacts de 50 watts pour une utilisation en laboratoire aux systèmes industriels robustes de 16 000 watts - Hielscher fournit la solution ultrasonique idéale pour chaque application. Conçus pour durer, les appareils à ultrasons Hielscher sont construits pour fonctionner en continu dans des conditions difficiles, même dans des environnements exigeants, garantissant ainsi des performances fiables 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7.
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasons :

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