סינתזה של ננו-כסף עם דבש ואולטרסאונד

ננו-כסף משמש בשל תכונותיו האנטי-בקטריאליות לחיזוק חומרים ברפואה ובמדעי החומרים. אולטרה-סוניקציה מאפשרת סינתזה מהירה, יעילה, בטוחה וידידותית לסביבה של ננו-חלקיקי כסף כדוריים במים. סינתזת ננו-חלקיקים על-קולית ניתנת להרחבה בקלות מייצור קטן לייצור גדול.

סינתזה בסיוע אולטרה-סאונד של ננו-כסף קולואידי

סינתזה סונוכימית, המתייחסת לתגובות כימיות המתאפשרות על ידי קרינה קולית, היא שיטה מיושמת באופן נרחב לייצור ננו-חלקיקים. אלה כוללים כסף, זהב, מגנטיט, הידרוקסיאפטיט, כלורוקין, פרובסקיט, לטקס וננו-חומרים רבים אחרים.

סינתזה כימית רטובה אולטראסונית

פותחו מספר מסלולי סינתזה בסיוע אולטרסאונד לייצור ננו-חלקיקי כסף. אחת השיטות הבולטות משתמשת בדבש הן כחומר מקטין והן כמכסה. רכיבים בדבש, כגון גלוקוז ופרוקטוז, פועלים בסינרגיה בתפקידים אלה במהלך תהליך הסינתזה.
בדומה לטכניקות רבות של סינתזת ננו-חלקיקים, סינתזת ננו-כסף על-קולית נופלת תחת הקטגוריה של כימיה רטובה. התהליך מתחיל בגרעין של ננו-חלקיקי כסף בתוך תמיסה. במהלך סוניקציה, קודמן כסף (למשל, כסף חנקתי (AgNO₃), או כסף פרכלורט (AgClO₄)) מופחת בנוכחות חומר מחזר, כגון דבש, כדי לייצר כסף קולואידי.

מנגנון של נוקלאציה וצמיחה של כסף אולטראסוני

שלב הנוקלציה הראשוני: ככל שהריכוז של יוני הכסף המומס עולה, יוני כסף מתכתיים מתחילים להיקשר וליצור אשכולות קטנים. בשלב זה, אשכולות אלה אינם יציבים מבחינה אנרגטית עקב מאזן אנרגיה שלילי. האנרגיה הדרושה ליצירת משטחים חדשים עולה על האנרגיה המתקבלת על ידי הפחתת ריכוז הכסף המומס.

• רדיוס קריטי: כאשר אשכול מגיע לגודל מסוים (הרדיוס הקריטי), התהליך הופך לחיובי מבחינה אנרגטית, ומייצב את הצביר. יציבות זו מאפשרת לצביר לשמש כגרעין לצמיחה נוספת.
• שלב הצמיחה: במהלך הצמיחה, אטומי כסף נוספים מתפזרים דרך התמיסה ומתחברים למשטח הננו-חלקיקים הגדל. הצמיחה נמשכת עד שריכוז הכסף המומס יורד מתחת לסף הגרעין, ועוצר את היווצרותם של גרעינים חדשים.
• דיפוזיה והשלמה: שאר הכסף המומס משולב בננו-חלקיקים קיימים, ומשלים את התהליך.

סוניקציה מאיצה את העברת המסה, במיוחד את תהליכי ההרטבה והדיפוזיה, מה שמוביל לגרעין מהיר יותר ולצמיחה מבוקרת. על ידי התאמה מדויקת של פרמטרי סוניקציה, כגון עוצמה ומשך, ניתן לכוונן בעדינות את הגודל, קצב הצמיחה והצורה של הננו-חלקיקים. בקרה מדויקת זו מבטיחה מבני ננו-חלקיקים עקביים המותאמים ליישומים ספציפיים.

סינתזה בסיוע אולטרה-סאונד בולטת כגישה כימית יעילה, ניתנת להרחבה וירוקה לייצור ננו-כסף עם תכונות מוגדרות היטב, ומציעה יתרונות משמעותיים ליישומים מגוונים במחקר ובתעשייה.

לחצו כאן כדי לקרוא עוד על שיטה ירוקה נוספת לסנתוז ננו-כסף באמצעות קרגינן!

סוניקציה מאפשרת סינתזה מהירה וירוקה של חלקיקי כסף קטנים עם פיזור גודל צר.

מקרה בוחן של סינתזת ננו-כסף על-קולית

כותרת המחקר “סינתזה מבוססת דבש ובסיוע אולטראסוני של ננו-חלקיקי כסף ופעילותם האנטי-בקטריאלית” מאת Oskuee et al. (2016) בוחן שיטה פשוטה וידידותית לסביבה לסנתזה של ננו-חלקיקי כסף (Ag-NPs) באמצעות דבש טבעי כחומר מקטין ומייצב. התהליך, הכולל הפחתה של חנקת כסף (AgNO₃) תחת קרינה קולית, מאופיין בפרמטרים שונים כולל ריכוז יוני כסף, ריכוז דבש וזמן סוניקציה. הגודל הממוצע של Ag-NPs המתקבל הוא כ-11.8 ננומטר והם מציגים תכונות אנטי-בקטריאליות נגד חיידקים פתוגניים כמו Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa ו-E. coli.
המחקר מדגיש את היתרונות של שימוש בדבש בסינתזת ננו-חלקיקים, תוך שימת דגש על אופיו הירוק, הזול והלא רעיל. המחברים מראים כי ניתן לשלוט בגודל ובתפוקה של Ag-NPs על ידי התאמת פרמטרים של תגובה כגון ריכוז כסף, תכולת דבש ומשך סוניקציה. Ag-NPs המסונתזים הוכחו כבעלי פעילות אנטיבקטריאלית יעילה, במיוחד נגד E. coli ו- S. aureus, עם ריכוזים מעכבים מינימליים (MIC) של כ- 19.46 ppm. שיטה זו מציגה יישום פוטנציאלי עבור Ag-NPs בתחומים רפואיים, כולל ריפוי פצעים ובקרת זיהומים.

• חומרים: כסף חנקתי (AgNO₃) כמבשר כסף; דבש כמכסה / סוכן חיזור; מים
• מכשיר אולטראסוני: סוניק מסוג בדיקה UP400St

פרוטוקול סינתזה קולי

התנאים הטובים ביותר לסנתזה של ננו-חלקיקי כסף קולואידיים נמצאו כדלקמן: הפחתת חנקת כסף תחת אולטרה-סוניקציה בתיווך דבש טבעי. בקצרה, 20 מ"ל של תמיסת כסף חנקתי (0.3 מטר) המכילה דבש (20 wt%) נחשפו לקרינת אולטרסאונד בעוצמה גבוהה בתנאי סביבה במשך 30 דקות. Ultrasonication בוצע עם ultrasonicator סוג בדיקה UP400S (400W, 24 קילוהרץ) שקוע ישירות לתוך פתרון התגובה.
דבש באיכות מזון משמש כמכסה/ייצוב וחומר מחזרים, מה שהופך את תמיסת הנוקלציה המימית ואת הננו-חלקיקים המואצים לנקיים ובטוחים ליישומים רבים.
ככל שזמן האולטרסוניקציה גדל, חלקיקי הכסף הופכים קטנים יותר וריכוזם משתפר.
בתמיסת הדבש המימית, אולטרה-סוניקציה היא גורם מפתח המשפיע על היווצרות ננו-חלקיקי כסף. פרמטרים של סוניקציה כגון משרעת, זמן ואולטרסאונד רציף לעומת פועם הם גורמים עיקריים המאפשרים לשלוט בגודל ובכמות של ננו-חלקיקי הכסף.

התפלגות גודל חלקיקים של Ag-NPs מסונתז בתנאים אופטימליים; ריכוזי כסף (0.3 מטר), ריכוזי דבש (20 ואט), וזמני קרינה על-קולית (30 דקות)
מקור התמונה: ©Oskuee et al. 2016

תוצאה של סינתזה קולית של ננו-חלקיקי כסף

הסינתזה האולטרה-סונית בתיווך הדבש עם הסוניקטור UP400St הביאה לננו-חלקיקי כסף כדוריים (Ag-NPs) עם גודל חלקיקים ממוצע של כ-11.8nm. הסינתזה העל-קולית של ננו-חלקיקי הכסף היא שיטה פשוטה ומהירה של סיר אחד. השימוש במים ודבש כחומרים, הופך את התגובה לחסכונית וידידותית במיוחד לסביבה.
הטכניקה המוצגת של סינתזה קולית באמצעות דבש כמו חומר חיזור מכסה ניתן להרחיב מתכות אצילות אחרות, כגון זהב, פלדיום, נחושת, אשר מציעה יישומים נוספים שונים מן הרפואה לתעשייה.

התפלגות גודל חלקיקים של Ag-NPs מסונתז בתנאים אופטימליים; ריכוזי כסף (0.3 מטר), ריכוזי דבש (20 ואט), וזמן קרינה על-קולית (30 דקות)
מחקר ותמונה: ©Oskuee et al. 2016

השפעה על נוקלציה וגודל חלקיקים על ידי סוניקציה

אולטרסאונד מאפשר ייצור ננו-חלקיקים כגון ננו-חלקיקי כסף המותאמים לדרישות. לשלוש אפשרויות כלליות של סוניקציה יש השפעה חשובה על הפלט:
סוניקציה ראשונית: היישום הקצר של גלי אולטרסאונד לתמיסה סופר-רוויה יכול ליזום זריעה והיווצרות של גרעינים. מכיוון שסוניקציה מיושמת רק בשלב הראשוני, צמיחת הגביש שלאחר מכן מתקדמת ללא הפרעה וכתוצאה מכך נוצרים גבישים גדולים יותר.
סוניקציה רציפה: הקרינה המתמשכת של התמיסה הסופר-רוויה גורמת לגבישים קטנים, שכן האולטרסוניקציה הבלתי פוסקת יוצרת גרעינים רבים וכתוצאה מכך גדלה גבישים קטנים רבים.
סוניקציה פועמת: אולטרסאונד פועם פירושו יישום של אולטרסאונד במרווחים קבועים. קלט מבוקר במדויק של אנרגיה קולית מאפשר להשפיע על צמיחת הגביש על מנת לקבל גודל גבישי מותאם.

אולטרסאונד בעל ביצועים גבוהים לסינתזה של ננו-חלקיקים

Hielscher Ultrasonics מציעה מעבדים קוליים חזקים ואמינים המיועדים ליישומים סונוכימיים מתקדמים, כולל סינתזה סונו-קטליזה. ערבוב ופיזור על-קוליים משפרים באופן משמעותי את העברת המסה, מקדמים את הרטבת צבירי האטומים ומקלים על הגרעין הבא שלהם, מה שמוביל למשקעים יעילים של ננו-חלקיקים. סינתזה קולית מוכרת כשיטה פשוטה, חסכונית, תואמת ביולוגית, ניתנת לשחזור, מהירה ובטוחה לייצור ננו-חומרים באיכות גבוהה. (קרא עוד על סינתזה סונוכימית של Perovskite ו ננו-מבנים ZnO!)

האולטרסאונד של Hielscher מתוכנן לבקרה מדויקת, המאפשר תנאים אופטימליים לנוקלציה וצמיחה של ננו-חומרים. מכשירים דיגיטליים אלה כוללים תוכנה חכמה, צג מגע צבעוני ותפריט אינטואיטיבי לפעולה בטוחה וידידותית למשתמש. בנוסף, הם מגיעים עם הקלטת נתונים אוטומטית בכרטיס SD מובנה, מה שמבטיח תיעוד תהליך חלק.

עם מגוון מקיף של מערכות - מאולטרסאונד ידני קומפקטי של 50 וואט לשימוש מעבדה ועד מערכות תעשייתיות חזקות של 16,000 וואט - Hielscher מספקת את הפתרון הקולי האידיאלי לכל יישום. מיועד לעמידות, ציוד קולי Hielscher בנוי לפעול ברציפות בתנאים כבדים, גם בסביבות תובעניות, הבטחת ביצועים אמינים 24/7.
הטבלה הבאה נותנת לך אינדיקציה ליכולת העיבוד המשוערת של האולטרסאונד שלנו:

השוואה בין שיטות קונבנציונליות ושיטות סינתזה ירוקה של סינתזת ננו-חלקיקים.