סינתזה של ננו-כסף באמצעות דבש ואולטרסאונד

ננו-כסף משמש לחיזוק חומרים ברפואה ובמדע החומרים בזכות תכונותיו האנטיבקטריאליות. טיפול באולטרסאונד מאפשר סינתזה מהירה, יעילה, בטוחה וידידותית לסביבה של ננו-חלקיקי כסף כדוריים במים. ניתן להרחיב בקלות את היקף הסינתזה האולטרסונית של ננו-חלקיקים מייצור בקנה מידה קטן לייצור בקנה מידה גדול.

סינתזה של ננו-כסף קולואידי בסיוע אולטרסאונד

סינתזה סונוכימית, המתייחסת לתגובות כימיות המתאפשרות בסיוע הקרנה אולטרסונית, היא שיטה נפוצה לייצור ננו-חלקיקים. אלה כוללים כסף, זהב, מגנטיט, הידרוקסיאפטיט, פרובסקיט, לטקס וננו-חומרים רבים אחרים.

סינתזה בכימיה רטובה באמצעות אולטרסאונד

פותחו מסלולי סינתזה רבים בסיוע אולטרסאונד לייצור ננו-חלקיקי כסף. שיטה בולטת אחת משתמשת בדבש הן כחומר מחזר והן כחומר חיפוי. רכיבים בדבש, כגון גלוקוז ופרוקטוז, פועלים בסינרגיה בתפקידים אלה במהלך תהליך הסינתזה.
בדומה לטכניקות רבות לסינתזה של ננו-חלקיקים, סינתזה אולטרסונית של ננו-כסף משתייכת לתחום הכימיה הרטובה. התהליך מתחיל בהתגרענות של ננו-חלקיקי כסף בתוך תמיסה. במהלך הסוניקציה, חומר מוצא של כסף (למשל, כסף חנקתי (AgNO₃), או כסף פרכלורטי (AgClO₄)) עובר חיזור בנוכחות חומר מחזר, כגון דבש, ליצירת כסף קולואידי.

מנגנון ההתגרענות והגדילה של כסף בסיוע אולטרסאונד

שלב ההתגרענות הראשוני: ככל שריכוז יוני הכסף המומסים עולה, יוני כסף מתכתי מתחילים להיקשר וליצור צברים קטנים. בשלב זה, צברים אלה אינם יציבים מבחינה אנרגטית בשל מאזן אנרגיה שלילי. האנרגיה הנדרשת ליצירת משטחים חדשים עולה על האנרגיה המתקבלת מהפחתת ריכוז הכסף המומס.

• רדיוס קריטי: כאשר צבר מגיע לגודל מסוים (הרדיוס הקריטי), התהליך נעשה מועדף מבחינה אנרגטית, והצבר מתייצב. יציבות זו מאפשרת לצבר לשמש כגרעין להמשך הגדילה.
• שלב הגדילה: במהלך הגדילה, אטומי כסף נוספים עוברים דיפוזיה דרך התמיסה ונצמדים לפני השטח של הננו-חלקיק הגדל. הגדילה נמשכת עד שריכוז הכסף המומס יורד מתחת לסף ההתגרענות, ובכך נעצרת היווצרותם של גרעינים חדשים.
• דיפוזיה והשלמת התהליך: הכסף המומס שנותר משתלב בננו-חלקיקים הקיימים, ובכך משלים את התהליך.

סוניקציה מאיצה את מעבר המסה, ובייחוד את תהליכי ההרטבה והדיפוזיה, וכך מובילה להתגרענות מהירה יותר ולגדילה מבוקרת. באמצעות התאמה מדויקת של פרמטרי הסוניקציה, כגון עוצמה ומשך, ניתן לכוונן בעדינות את הגודל, קצב הגדילה והצורה של הננו-חלקיקים. בקרה מדויקת זו מבטיחה מבנים עקביים של ננו-חלקיקים המותאמים ליישומים ספציפיים.

סינתזה בסיוע אולטרסאונד בולטת כגישה יעילה של כימיה ירוקה, הניתנת להרחבה בקנה המידה, לייצור ננו-כסף בעל תכונות מוגדרות היטב, ומציעה יתרונות משמעותיים ליישומים מגוונים במחקר ובתעשייה.

לחצו כאן לקריאה נוספת על שיטה ירוקה נוספת לסינתזה אולטרסונית של ננו-כסף באמצעות קרגינן!

סוניקציה מסייעת לסינתזה מהירה וירוקה של ננו-חלקיקי כסף קטנים בעלי התפלגות גדלים צרה.

מקרה בוחן של סינתזה אולטרסונית של ננו-כסף

המחקר שכותרתו "סינתזה של ננו־חלקיקי כסף המבוססת על דבש ובסיוע אולטרסאונד ופעילותם האנטיבקטריאלית" מאת Oskuee ועמיתיו (2016) בוחן שיטה פשוטה וידידותית לסביבה לסינתזה של ננו־חלקיקי כסף (Ag-NPs), המשתמשת בדבש טבעי הן כחומר מחזר והן כחומר מייצב. התהליך, הכולל חיזור של כסף חנקתי (AgNO₃) תחת הקרנה אולטרסונית, מאופיין בפרמטרים שונים ובהם ריכוז יוני הכסף, ריכוז הדבש ומשך הסוניקציה. ננו־חלקיקי הכסף המתקבלים הם בגודל ממוצע של כ־11.8 nm ומפגינים תכונות אנטיבקטריאליות נגד חיידקים פתוגניים כגון Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa ו־E. coli.
המחקר מדגיש את היתרונות של שימוש בדבש בסינתזה של ננו־חלקיקים, תוך הדגשת היותו ירוק, זול ולא רעיל. המחברים מראים שניתן לשלוט בגודל ובתפוקה של Ag-NPs באמצעות התאמת פרמטרי התגובה, כגון ריכוז הכסף, תכולת הדבש ומשך הסוניקציה. נמצא כי ננו־חלקיקי הכסף שסונתזו מפגינים פעילות אנטיבקטריאלית יעילה, במיוחד נגד E. coli ו־S. aureus, עם ריכוזים מעכבים מזעריים (MIC) של כ־19.46 ppm. שיטה זו מציעה יישום פוטנציאלי של Ag-NPs בתחומי הרפואה, לרבות ריפוי פצעים ובקרת זיהומים.

• חומרים: כסף חנקתי (AgNO₃) כחומר מוצא לכסף; דבש כחומר ציפוי / מחזר; מים
• מכשיר אולטרסוני: סוניקטור מסוג גשושית UP400St

פרוטוקול סינתזה אולטרסונית

התנאים המיטביים לסינתזה של ננו־חלקיקי כסף קולואידיים נמצאו כדלקמן: חיזור כסף חנקתי באמצעות סוניקציה בתיווך דבש טבעי. בקצרה, 20 ml של תמיסת כסף חנקתי (0.3 M) המכילה דבש (20 wt%) נחשפו להקרנת אולטרסאונד בעוצמה גבוהה בתנאי סביבה במשך 30 min. הסוניקציה בוצעה באמצעות הסוניקטור מסוג גשושית UP400S (400W, 24 kHz), שטבל ישירות בתמיסת התגובה.
דבש באיכות מזון משמש כחומר ציפוי / מייצב וכחומר מחזר, ובכך הופך את תמיסת ההתגרענות המימית ואת ננו־החלקיקים ששקעו לנקיים ובטוחים למגוון יישומים.
ככל שמשך הסוניקציה מתארך, ננו־חלקיקי הכסף נעשים קטנים יותר וריכוזם עולה.
בתמיסת הדבש המימית, הסוניקציה היא גורם מרכזי המשפיע על היווצרות ננו־חלקיקי כסף. פרמטרים של סוניקציה כגון משרעת, משך ואולטרסאונד רציף לעומת אולטרסאונד בפולסים הם גורמים עיקריים המאפשרים שליטה בגודל ובכמות של ננו־חלקיקי הכסף.

התפלגות גודל החלקיקים של Ag-NPs שסונתזו בתנאים מיטביים; ריכוזי כסף (0.3 M), ריכוזי דבש (20 wt%) ומשכי הקרנה אולטרסונית (30 min)
מקור התמונה: ©Oskuee et al. 2016

תוצאת הסינתזה האולטרסונית של ננו־חלקיקי כסף

הסינתזה בתיווך דבש, שקודמה באמצעות אולטרסאונד עם הסוניקטור UP400St, הניבה ננו־חלקיקי כסף כדוריים (Ag-NPs) בגודל חלקיקים ממוצע של כ־11.8nm. הסינתזה האולטרסונית של ננו־חלקיקי הכסף היא שיטה פשוטה ומהירה המתבצעת בכלי תגובה אחד. השימוש במים ובדבש כחומרים הופך את התגובה לחסכונית ולידידותית לסביבה במידה יוצאת דופן.
ניתן להרחיב את טכניקת הסינתזה האולטרסונית המוצגת, המשתמשת בדבש כחומר מחזר וכחומר ציפוי, למתכות אצילות אחרות, כגון זהב, פלדיום ונחושת, ובכך לאפשר מגוון יישומים נוספים, מרפואה ועד תעשייה.

התפלגות גודל החלקיקים של Ag-NPs שסונתזו בתנאים מיטביים; ריכוזי כסף (0.3 M), ריכוזי דבש (20 wt%) ומשך הקרנה אולטרסונית (30 min)
מחקר ותמונה: ©Oskuee et al. 2016

השפעה על התגרענות ועל גודל החלקיקים באמצעות סוניקציה

אולטרסאונד מאפשר ייצור ננו־חלקיקים, כגון ננו־חלקיקי כסף, המותאמים לדרישות. לשלוש אפשרויות כלליות של סוניקציה יש השפעות חשובות על התוצר:
סוניקציה התחלתית: הפעלה קצרה של גלי אולטרסאונד על תמיסה רוויה ביתר יכולה להתחיל את יצירת גרעיני ההתגבשות ואת היווצרותם של גרעינים. מכיוון שהסוניקציה מופעלת רק בשלב ההתחלתי, צמיחת הגבישים בהמשך מתקדמת ללא הפרעה ומובילה לגבישים גדולים יותר.
סוניקציה רציפה: הקרנה רציפה של התמיסה הרוויה ביתר מובילה לגבישים קטנים, משום שהטיפול האולטרסוני ללא הפסקות יוצר גרעינים רבים, וכתוצאה מכך צומחים גבישים קטנים רבים.
סוניקציה בפולסים: אולטרסאונד בפולסים פירושו הפעלת אולטרסאונד במרווחי זמן מוגדרים. הזנה מבוקרת במדויק של אנרגיה אולטרסונית מאפשרת להשפיע על צמיחת הגבישים כדי להשיג גודל גביש המותאם לדרישות.

מכשירים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים לסינתזה של ננו־חלקיקים

Hielscher Ultrasonics מציעה מעבדים אולטרסוניים אמינים ורבי־עוצמה, המיועדים ליישומים סונוכימיים מתקדמים, ובהם סינתזה אולטרסונית וקטליזה אולטרסונית. ערבוב ופיזור אולטרסוניים משפרים משמעותית את מעבר המסה, מקדמים את הרטבתם של צברי אטומים ומסייעים להתגרענותם בהמשך, וכך מובילים לשיקוע יעיל של ננו־חלקיקים. סינתזה אולטרסונית מוכרת כשיטה פשוטה, חסכונית, בעלת תאימות ביולוגית, ניתנת לשחזור, מהירה ובטוחה לייצור ננו־חומרים באיכות גבוהה. (קראו עוד על הסינתזה הסונוכימית של פרובסקיט ועל ננו־מבנים של ZnO!)

המכשירים האולטרסוניים של Hielscher מתוכננים לבקרה מדויקת, המאפשרת תנאים מיטביים להתגרענות ולצמיחה של ננו־חומרים. מכשירים דיגיטליים אלה כוללים תוכנה חכמה, מסך מגע צבעוני ותפריט אינטואיטיבי להפעלה בטוחה וידידותית למשתמש. בנוסף, הם מצוידים ברישום נתונים אוטומטי בכרטיס SD מובנה, המבטיח תיעוד חלק של התהליך.

עם מגוון מקיף של מערכות – ממכשירים אולטרסוניים ידניים קומפקטיים בהספק של 50 ואט לשימוש מעבדתי ועד מערכות תעשייתיות עמידות בהספק של 16,000 ואט – Hielscher מספקת את הפתרון האולטרסוני האידיאלי לכל יישום. הציוד האולטרסוני של Hielscher מתוכנן לעמידות ובנוי לפעולה רציפה בתנאי עבודה מאומצים, גם בסביבות תובעניות, ומבטיח ביצועים אמינים 24/7.
הטבלה שלהלן מספקת מושג על קיבולת העיבוד המשוערת של המכשירים האולטרסוניים שלנו:

השוואה בין שיטות קונבנציונליות לשיטות סינתזה ירוקות לייצור ננו־חלקיקים.