स्वर्ण नैनोकणों का कुशल और नियंत्रित संश्लेषण

एकसमान आकार और आकृति-विज्ञान वाले स्वर्ण नैनोकणों को सोनोकेमिकल मार्ग से कुशलतापूर्वक संश्लेषित किया जा सकता है। अल्ट्रासोनिक रूप से संवर्धित स्वर्ण नैनोकण संश्लेषण की रासायनिक अभिक्रिया को कण के माप, आकार (जैसे, नैनोस्फीयर, नैनोरॉड, नैनोबेल्ट आदि) और आकृति-विज्ञान के लिए सटीक रूप से नियंत्रित किया जा सकता है। यह प्रभावी, सरल, तीव्र और हरित रासायनिक प्रक्रिया औद्योगिक पैमाने पर स्वर्ण नैनोसंरचनाओं का विश्वसनीय उत्पादन संभव बनाती है।

स्वर्ण नैनोकण और नैनोसंरचनाएँ

नैनोआकार के स्वर्ण के अद्वितीय गुणों के कारण स्वर्ण नैनोकणों और नैनोआकार की संरचनाओं का अनुसंधान एवं विकास और औद्योगिक प्रक्रियाओं में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। इन गुणों में इलेक्ट्रॉनिक, चुंबकीय और प्रकाशीय विशेषताएँ, क्वांटम आकार प्रभाव, पृष्ठीय प्लाज़्मॉन अनुनाद, उच्च उत्प्रेरक सक्रियता और स्व-संयोजन सहित अन्य गुण शामिल हैं। स्वर्ण नैनोकणों (Au-NPs) के अनुप्रयोग क्षेत्रों में उत्प्रेरक के रूप में उपयोग से लेकर नैनोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों का निर्माण, इमेजिंग, नैनोफोटोनिक्स, नैनोचुंबकत्व, जैवसेंसर, रासायनिक सेंसर, प्रकाशीय और थेरानॉस्टिक अनुप्रयोगों तथा औषधि वितरण में उपयोग सहित अन्य उपयोग शामिल हैं।

स्वर्ण नैनोकण संश्लेषण की विधियाँ

उच्च-प्रदर्शन अल्ट्रासोनिकेशन का उपयोग करके विभिन्न मार्गों से नैनोसंरचित स्वर्ण कणों का संश्लेषण किया जा सकता है। अल्ट्रासोनिकेशन एक सरल, कुशल और विश्वसनीय तकनीक तो है ही, साथ ही सोनिकेशन विषैले या प्रबल रासायनिक अभिकर्मकों के बिना स्वर्ण आयनों के रासायनिक अपचयन के लिए परिस्थितियाँ उत्पन्न करता है और विभिन्न आकृति-विज्ञान वाले उत्कृष्ट धातुओं के नैनोकणों का निर्माण संभव बनाता है। मार्ग और सोनोकेमिकल उपचार (जिसे सोनोसिंथेसिस भी कहा जाता है) का चयन एकसमान माप और आकृति-विज्ञान वाली स्वर्ण नैनोसंरचनाओं, जैसे स्वर्ण नैनोस्फीयर, नैनोरॉड, नैनोबेल्ट आदि का उत्पादन संभव बनाता है।
नीचे स्वर्ण नैनोकणों की तैयारी के लिए चुनिंदा सोनोकेमिकल मार्ग दिए गए हैं।

अल्ट्रासोनिक रूप से बेहतर बनाई गई Turkevich विधि

सोनिकेशन का उपयोग Turkevich साइट्रेट-अपचयन अभिक्रिया और संशोधित Turkevich प्रक्रियाओं को तीव्र करने के लिए किया जाता है।
Turkevich विधि लगभग 10–20nm व्यास वाले, मध्यम रूप से मोनोडिस्पर्स गोलाकार स्वर्ण नैनोकण उत्पन्न करती है। बड़े कणों का उत्पादन किया जा सकता है, लेकिन इससे मोनोडिस्पर्सता और आकार से समझौता करना पड़ता है। इस विधि में गर्म क्लोरोऑरिक अम्ल को सोडियम साइट्रेट विलयन से उपचारित किया जाता है, जिससे कोलॉइडी स्वर्ण बनता है। Turkevich अभिक्रिया अस्थायी स्वर्ण नैनोतारों के निर्माण के माध्यम से आगे बढ़ती है। अभिक्रिया विलयन के माणिक्य-लाल होने से पहले उसका गहरा रंग इन स्वर्ण नैनोतारों के कारण होता है।
Fuentes-García et al. (2020), जिन्होंने सोनोकेमिकल रूप से स्वर्ण नैनोकणों का संश्लेषण किया, बताते हैं कि ऊर्जा के एकमात्र स्रोत के रूप में अल्ट्रासोनिकेशन का उपयोग करके उच्च अवशोषण अंतःक्रिया वाले स्वर्ण नैनोकणों का निर्माण संभव है। इससे प्रयोगशाला की आवश्यकताएँ कम होती हैं और सरल प्राचलों को बदलकर गुणों को नियंत्रित किया जा सकता है।
Lee et al. (2012) ने प्रदर्शित किया कि अल्ट्रासोनिक ऊर्जा 20 से 50 nm तक के समायोज्य माप वाले गोलाकार स्वर्ण नैनोकणों (AuNPs) के उत्पादन के लिए एक प्रमुख प्राचल है। सोडियम साइट्रेट अपचयन के माध्यम से सोनोसिंथेसिस वायुमंडलीय परिस्थितियों में जलीय विलयन में मोनोडिस्पर्स गोलाकार स्वर्ण नैनोकण उत्पन्न करता है।

अल्ट्रासाउंड का उपयोग करने वाली Turkevich-Frens विधि

ऊपर वर्णित अभिक्रिया मार्ग का एक संशोधित रूप Turkevich-Frens विधि है, जो स्वर्ण नैनोकणों के संश्लेषण की एक सरल बहु-चरणीय प्रक्रिया है। अल्ट्रासोनिकेशन Turkevich-Frens अभिक्रिया मार्ग को उसी प्रकार बढ़ावा देता है जैसे Turkevich मार्ग को। Turkevich-Frens बहु-चरणीय प्रक्रिया में अभिक्रियाएँ क्रमिक और समानांतर रूप से होती हैं, और इसका प्रारंभिक चरण साइट्रेट का ऑक्सीकरण है, जिससे डाइकार्बोक्सी एसीटोन बनता है। इसके बाद, ऑरिक लवण का अपचयन होकर ऑरस लवण और Au⁰ बनते हैं, और ऑरस लवण Au⁰ परमाणुओं पर संयोजित होकर AuNP बनाता है (नीचे दी गई योजना देखें)।
 

Turkevich विधि द्वारा स्वर्ण नैनोकणों का संश्लेषण।
योजनाचित्र और अध्ययन: ©Zhao et al., 2013

इसका अर्थ है कि Turkevich-Frens अभिक्रिया में स्वयं साइट्रेट के बजाय साइट्रेट के ऑक्सीकरण से उत्पन्न डाइकार्बोक्सी एसीटोन वास्तविक AuNP स्थिरीकारक के रूप में कार्य करता है। साइट्रेट लवण इसके अतिरिक्त तंत्र के pH को भी बदलता है, जो स्वर्ण नैनोकणों (AuNPs) के आकार और आकार वितरण को प्रभावित करता है। Turkevich-Frens अभिक्रिया की इन परिस्थितियों में लगभग मोनोडिस्पर्स स्वर्ण नैनोकण बनते हैं, जिनका आकार 20 से 40nm के बीच होता है। विलयन के pH में बदलाव करके तथा अल्ट्रासोनिक मापदंडों के माध्यम से कणों का सटीक आकार बदला जा सकता है। ट्राइसोडियम साइट्रेट डाइहाइड्रेट की सीमित अपचायक क्षमता के कारण साइट्रेट द्वारा स्थिर किए गए AuNPs हमेशा 10 nm से बड़े होते हैं। हालाँकि, विलायक के रूप में D₂O का उपयोग AuNPs के संश्लेषण के दौरान H2O के स्थान पर करने से 5 nm आकार वाले AuNPs का संश्लेषण किया जा सकता है। चूँकि D2O मिलाने से साइट्रेट की अपचायक क्षमता बढ़ती है, D2O और C₆H₉Na₃O₉ का संयोजन। (cf. Zhao et al., 2013)

सोनोकेमिकल Turkevich-Frens मार्ग के लिए प्रोटोकॉल

Turkevich-Frens विधि द्वारा बॉटम-अप प्रक्रिया में स्वर्ण नैनोकणों का संश्लेषण करने के लिए, 50mL क्लोरोऑरिक अम्ल (HAuCl₄) का 0.025 mM सांद्रता वाला विलयन 100 mL के काँच के बीकर में डाला जाता है, जिसमें 1 mL मात्रा में 1.5% (w/v) सांद्रता वाला ट्राइसोडियम साइट्रेट (Na₃Ct) का जलीय विलयन कमरे के तापमान पर अल्ट्रासोनिकेशन के दौरान मिलाया जाता है। अल्ट्रासोनिकेशन 60W, 150W और 210W पर किया गया। नमूनों में प्रयुक्त Na₃Ct/HAuCl₄ अनुपात 3:1 (w/v) है। अल्ट्रासोनिकेशन के बाद, कोलॉइडी विलयनों में अलग-अलग रंग दिखाई दिए – 60 W वाले नमूने का रंग बैंगनी और 150 तथा 210 W वाले नमूनों का रंग माणिक्य-लाल था। संरचनात्मक अभिलक्षणन के अनुसार, सोनिकेशन शक्ति बढ़ाने से स्वर्ण नैनोकणों के छोटे आकार वाले और अधिक गोलाकार समूह बने। Fuentes-García et al. (2021) अपने अध्ययनों में दर्शाते हैं कि सोनिकेशन बढ़ाने का सोनोकेमिकल रूप से संश्लेषित स्वर्ण नैनोकणों के आकार, बहुफलकीय संरचना और प्रकाशिक गुणों तथा उनके निर्माण की अभिक्रिया गतिकी पर गहरा प्रभाव पड़ता है। आवश्यकतानुसार समायोजित सोनोकेमिकल प्रक्रिया से 16nm और 12nm, दोनों आकारों के स्वर्ण नैनोकण बनाए जा सकते हैं। (Fuentes-García et al., 2021)
 

(a,b) TEM छवि (50 nm का पैमाना) और (c) AuNPs का आकार वितरण, जिन्हें
17.9 Wcm2 सोनिकेशन शक्ति पर संश्लेषित किया गया।
चित्र और अध्ययन: © Dheyab et al., 2020.

स्वर्ण नैनोकणों का सोनोलेसिस

स्वर्ण कणों के प्रायोगिक उत्पादन की एक अन्य विधि सोनोलेसिस है, जिसमें 10 nm से कम व्यास वाले स्वर्ण कणों के संश्लेषण के लिए अल्ट्रासाउंड का उपयोग किया जाता है। अभिकर्मकों के आधार पर, सोनोलेसिस अभिक्रिया विभिन्न तरीकों से चलाई जा सकती है। उदाहरण के लिए, ग्लूकोज़ के साथ HAuCl₄ के जलीय विलयन के सोनिकेशन में, हाइड्रॉक्सिल मूलक और शर्करा के ताप-अपघटन से उत्पन्न मूलक अपचायक के रूप में कार्य करते हैं। ये मूलक तीव्र अल्ट्रासाउंड से बनी ढहती गुहाओं और मुख्य जलराशि के बीच के अंतरापृष्ठीय क्षेत्र में बनते हैं। स्वर्ण नैनोसंरचनाएँ 30–50 nm चौड़ी और कई माइक्रोमीटर लंबी नैनोरिबन के रूप में होती हैं। ये रिबन बहुत लचीली होती हैं और 90° से अधिक कोणों पर मुड़ सकती हैं। जब ग्लूकोज़ के स्थान पर ग्लूकोज़ के एक ओलिगोमर, साइक्लोडेक्सट्रिन का उपयोग किया जाता है, तो केवल गोलाकार स्वर्ण कण प्राप्त होते हैं, जिससे संकेत मिलता है कि आकृति को रिबन का रूप देने में ग्लूकोज़ आवश्यक है।

सोनोकेमिकल नैनो-स्वर्ण संश्लेषण के लिए उदाहरणात्मक प्रोटोकॉल

साइट्रेट-लेपित AuNPs के संश्लेषण के लिए प्रयुक्त पूर्ववर्ती पदार्थों में HAuCl4, सोडियम साइट्रेट और आसुत जल शामिल हैं। नमूना तैयार करने के पहले चरण में HAuCl4 को आसुत जल में घोलकर 0.03 M सांद्रता वाला विलयन बनाया गया। इसके बाद, HAuCl4 के विलयन (2 mL) को 0.03 M सोडियम साइट्रेट के 20 mL जलीय विलयन में बूँद-बूँद करके मिलाया गया। मिश्रण के चरण के दौरान, अल्ट्रासोनिक हॉर्न युक्त एक उच्च-घनत्व अल्ट्रासोनिक प्रोब (20 kHz) को विलयन में 5 min के लिए डाला गया; प्रयुक्त ध्वनिक शक्ति थी 17.9 W·cm²
(तुलना करें: Dhabey at al. 2020)

सोनिकेशन द्वारा स्वर्ण नैनोबेल्ट का संश्लेषण

अभिकर्मक के रूप में α-D-Glucose की उपस्थिति में HAuCl4 के जलीय विलयन का सोनिकेशन करके एकल-क्रिस्टलीय नैनोबेल्ट (बाईं ओर TEM छवि देखें) संश्लेषित किए जा सकते हैं। सोनोकेमिकल विधि से संश्लेषित स्वर्ण नैनोबेल्ट की औसत चौड़ाई 30 से 50 nm और लंबाई कई माइक्रोमीटर होती है। स्वर्ण नैनोबेल्ट के उत्पादन के लिए अल्ट्रासोनिक अभिक्रिया सरल और तीव्र है तथा इसमें विषैले पदार्थों के उपयोग से बचा जाता है। (तुलना करें: Zhang et al, 2006)

स्वर्ण नैनोकणों के सोनोकेमिकल संश्लेषण को प्रभावित करने वाले पृष्ठसक्रिय पदार्थ

रासायनिक अभिक्रियाओं में तीव्र अल्ट्रासाउंड का प्रयोग रूपांतरण और उत्पाद प्राप्ति को आरंभ करता है तथा बढ़ावा देता है। एकसमान कण आकार और कुछ लक्षित आकृतियाँ / आकारिकियाँ प्राप्त करने के लिए पृष्ठसक्रिय पदार्थों का चयन एक निर्णायक कारक है। ऐल्कोहॉल मिलाने से भी कणों की आकृति और आकार को नियंत्रित करने में सहायता मिलती है। उदाहरण के लिए, a-d-glucose की उपस्थिति में, जलीय HAuCl₄ की सोनोलिसिस प्रक्रिया की प्रमुख अभिक्रियाएँ निम्नलिखित समीकरणों (1–4) में दर्शाई गई हैं:
(1) H₂ O –> H∙ + OH∙
(2) शर्करा –> ताप-अपघटन मूलक
(3) AIII + अपचायक मूलक –> Au⁰
(4) nAu⁰ –> AuNP (नैनोबेल्ट)
(तुलना करें: Zhao et al., 2014)

प्रोब-प्रकार के अल्ट्रासोनिकेटरों की शक्ति


अल्ट्रासोनिक प्रोब या सोनोट्रोड (जिन्हें अल्ट्रासोनिक हॉर्न भी कहा जाता है) रासायनिक विलयनों में अत्यंत केंद्रित रूप में उच्च-तीव्रता अल्ट्रासाउंड और ध्वनिक कैविटेशन पहुँचाते हैं। शक्ति अल्ट्रासाउंड का यह सटीक रूप से नियंत्रित किया जा सकने वाला और कुशल संचार विश्वसनीय, सटीक रूप से नियंत्रित की जा सकने वाली तथा पुनरुत्पादनीय परिस्थितियाँ उपलब्ध कराता है, जिनमें रासायनिक अभिक्रिया मार्गों को आरंभ किया जा सकता है, तीव्र किया जा सकता है और बदला जा सकता है। इसके विपरीत, एक अल्ट्रासोनिक बाथ (जिसे अल्ट्रासोनिक क्लीनर या टैंक भी कहा जाता है) द्रव की बड़ी मात्रा में बहुत कम शक्ति घनत्व वाला अल्ट्रासाउंड और अनियमित स्थानों पर उत्पन्न होने वाले कैविटेशन क्षेत्र प्रदान करता है। इससे अल्ट्रासोनिक बाथ किसी भी सोनोकेमिकल अभिक्रिया के लिए अविश्वसनीय हो जाते हैं।
“अल्ट्रासोनिक सफाई बाथ का शक्ति घनत्व अल्ट्रासोनिक हॉर्न द्वारा उत्पन्न शक्ति घनत्व के एक छोटे प्रतिशत के बराबर होता है। सोनोकेमिस्ट्री में सफाई बाथ का उपयोग सीमित है, क्योंकि हमेशा पूर्णतः एकसमान कण आकार और आकारिकी प्राप्त नहीं होती। इसका कारण नाभिकन और वृद्धि प्रक्रियाओं पर अल्ट्रासाउंड के भौतिक प्रभाव हैं।” (González-Mendoza et al. 2015)

स्वर्ण नैनोकणों के संश्लेषण के लिए उच्च-प्रदर्शन अल्ट्रासोनिकेटर

Hielscher Ultrasonics स्वर्ण और अन्य उत्कृष्ट धातुओं की नैनोसंरचनाओं जैसे नैनोकणों के सोनोकेमिकल संश्लेषण (सोनो-संश्लेषण) के लिए शक्तिशाली और विश्वसनीय अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर उपलब्ध कराता है। अल्ट्रासोनिक प्रक्षोभन और परिक्षेपण विषमांगी प्रणालियों में द्रव्यमान स्थानांतरण बढ़ाते हैं तथा नैनोकणों के अवक्षेपण के लिए परमाणु समूहों के गीला होने और उसके बाद होने वाले नाभिकन को बढ़ावा देते हैं। नैनोकणों का अल्ट्रासोनिक संश्लेषण एक सरल, किफायती, जैवसंगत, पुनरुत्पादनीय, तीव्र और सुरक्षित विधि है।
Hielscher Ultrasonics नैनोगोलों, नैनोछड़ों, नैनोबेल्ट, नैनोरिबन, नैनोक्लस्टर, कोर-शेल कणों आदि जैसी नैनो-आकार की संरचनाओं के निर्माण के लिए शक्तिशाली और सटीक रूप से नियंत्रित किए जा सकने वाले अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर उपलब्ध कराता है।
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नीचे दी गई तालिका हमारे अल्ट्रासोनिकेटरों की अनुमानित प्रसंस्करण क्षमता का संकेत देती है: