Učinkovita i kontrolirana sinteza nanočestica zlata

Nanočestice zlata ujednačenog oblika i morfologije mogu se učinkovito sintetizirati sonokemijskim putem. Ultrazvučno potaknuta kemijska reakcija sinteze nanočestica zlata može se precizno kontrolirati za veličinu, oblik (npr. nanosfere, nanošipke, nanopojaseve itd.) i morfologiju čestica. Učinkovit, jednostavan, brz i ekološki kemijski postupak omogućuje pouzdanu proizvodnju nanostruktura zlata u industrijskim razmjerima.

Nanočestice i nanostrukture zlata

Nanočestice zlata i strukture nano veličine široko su implementirane u R&D i industrijski procesi zbog jedinstvenih svojstava zlata nano veličine uključujući elektroničke, magnetske i optičke karakteristike, kvantne učinke veličine, površinsku plazmonsku rezonanciju, visoku katalitičku aktivnost, samosastavljanje među ostalim svojstvima. Područja primjene nano-čestica zlata (Au-NP) kreću se od upotrebe kao katalizatora do proizvodnje nanoelektroničkih uređaja, kao i upotrebe u slikanju, nano-fotonici, nanomagnetskim, biosenzorima, kemijskim senzorima, za optičke i teranostičke aplikacije, isporuku lijekova kao i druge upotrebe.

Metode sinteze nanočestica zlata

Nano-strukturirane čestice zlata mogu se sintetizirati različitim putovima pomoću ultrazvučne obrade visokih performansi. Ultrazvučna obrada nije samo jednostavna, učinkovita i pouzdana tehnika, osim toga ultrazvučna obrada stvara uvjete za kemijsku redukciju iona zlata bez toksičnih ili jakih kemijskih sredstava i omogućuje stvaranje nanočestica plemenitih metala različitih morfologija. Izbor puta i sonokemijske obrade ( također poznata kao sonosinteza) omogućuje proizvodnju zlatnih nanostruktura kao što su zlatne nanošere, nanoštapići, nanopojasi itd. s ujednačenom veličinom i morfologijom.
U nastavku možete pronaći odabrane sonokemijske puteve za pripremu nanočestica zlata.

Ultrazvučno poboljšana Turkevicheva metoda

Sonikacija se koristi za intenziviranje Turkevicheve reakcije redukcije citrata, kao i modificirani Turkevichevi postupci.
Turkevicheva metoda proizvodi skromno monodisperzne sferne nanočestice zlata promjera oko 10-20 nm. Mogu se proizvesti veće čestice, ali po cijenu monodisperznosti i oblika. U ovoj metodi, vruća kloroaurinska kiselina tretira se otopinom natrijevog citrata, čime se proizvodi koloidno zlato. Turkevicheva reakcija odvija se stvaranjem prolaznih zlatnih nanožica. Ove zlatne nanožice odgovorne su za taman izgled reakcijske otopine prije nego što postane rubin-crvena.
Fuentes-García i sur. (2020.), koji su sonokemijski sintetizirali nanočestice zlata, izvješćuju da je moguće proizvesti nanočestice zlata s visokom interakcijom apsorpcije koristeći ultrazvuk kao jedini izvor energije, smanjujući laboratorijske zahtjeve i kontrolirajući svojstva modificirajući jednostavne parametre.
Lee i sur. (2012.) pokazali su da je ultrazvučna energija ključni parametar za proizvodnju kuglastih nanočestica zlata (AuNP) podesive veličine od 20 do 50 nm. Sonosinteza redukcijom natrijevog citrata proizvodi monodisperzne sferne nanočestice zlata u vodenoj otopini u atmosferskim uvjetima.

Turkevich-Frensova metoda pomoću ultrazvuka

Modifikacija gore opisanog puta reakcije je Turkevich-Frensova metoda, koja je jednostavan proces u više koraka za sintezu nanočestica zlata. Ultrasonication promovira Turkevich-Frens reakciju put na isti način kao i Turkevich put. Početni korak Turkevich-Frensovog višestupanjskog procesa, gdje se reakcije odvijaju u serijama i paralelno, je oksidacija citrata koja daje dikarboksi aceton. Zatim se zrnasta sol reducira na zlatnu sol i Au⁰, a aurous sol je sastavljena na Au⁰ atoma da formiraju AuNP (vidi shemu u nastavku).
 

Sinteza nanočestica zlata Turkevichevom metodom.
shema i studija: ©Zhao et al., 2013

To znači da dikarboksi aceton koji je rezultat oksidacije citrata, a ne sam citrat, djeluje kao stvarni AuNP stabilizator u Turkevich-Frens reakciji. Citratna sol dodatno modificira pH sustava, što utječe na veličinu i raspodjelu veličine nanočestica zlata (AuNP). Ovi uvjeti Turkevich-Frensove reakcije proizvode gotovo monodisperzne nanočestice zlata s veličinama čestica između 20 i 40 nm. Točna veličina čestica može se modificirati varijacijom pH otopine kao i ultrazvučnim parametrima. Citratom stabilizirani AuNP uvijek su veći od 10 nm, zbog ograničene redukcijske sposobnosti trinatrijevog citrat dihidrata. Međutim, korištenjem D₂O kao otapalo umjesto H2O tijekom sinteze AuNP omogućuje sintezu AuNP s veličinom čestica od 5 nm. Kako dodatak D2O povećava reducirajuću snagu citrata, kombinacija D2O i C₆H₉Na₃O₉. (usp. Zhao i sur., 2013.)

Protokol za sonokemijski Turkevich-Frensov put

Kako bi se sintetizirale nanočestice zlata u postupku odozdo prema gore Turkevich-Frens metodom, 50 mL klorozolatne kiseline (HAuCl₄), 0,025 mM se ulije u staklenu čašu od 100 mL, u koju se doda 1 mL 1,5% (w/v) vodene otopine trinatrijevog citrata (Na₃Ct) se dodaje pod ultrazvučnom obradom na sobnoj temperaturi. Ultrazvuk je izveden na 60W, 150W i 210W. Na₃Ct/HAuCl₄ omjer korišten u uzorcima je 3:1 (w/v). Nakon ultrazvuka, koloidne otopine pokazale su različite boje, ljubičastu za 60 W i rubin-crvenu za 150 i 210 W uzorke. Manje veličine i sferičniji klasteri nanočestica zlata proizvedeni su povećanjem snage sonikacije, u skladu sa strukturnom karakterizacijom. Fuentes-García i sur. (2021.) u svojim istraživanjima pokazuju snažan utjecaj povećanja sonikacije na veličinu čestica, poliedarsku strukturu i optička svojstva sonokemijski sintetiziranih nanočestica zlata i kinetiku reakcije za njihovo stvaranje. I nanočestice zlata veličine 16nm i 12nm mogu se proizvesti prilagođenim sonokemijskim postupkom. (Fuentes-García i sur., 2021.)
 

(a,b) TEM slika (skala od 50 nm) i (c) distribucija veličine AuNP-ova sintetiziranih na
snaga ultrazvuka 17,9 Wcm2.
Slika i studija: © Dheyab et al., 2020.

Sonoliza nanočestica zlata

Druga metoda za eksperimentalno stvaranje zlatnih čestica je sonoliza, gdje se ultrazvuk primjenjuje za sintezu zlatnih čestica promjera ispod 10 nm. Ovisno o reagensima, sonolitička reakcija može se izvoditi na različite načine. Na primjer, sonikacija vodene otopine HAuCl₄ s glukozom, hidroksilni radikali i radikali pirolize šećera djeluju kao redukcijski agensi. Ovi radikali nastaju na međupovršinskom području između šupljina koje se urušavaju stvorene intenzivnim ultrazvukom i vode. Morfologija nanostruktura zlata su nanovrpce širine 30-50 nm i duljine nekoliko mikrometara. Ove vrpce su vrlo fleksibilne i mogu se savijati pod kutovima većim od 90°. Kada se glukoza zamijeni ciklodekstrinom, oligomerom glukoze, dobivaju se samo kuglaste čestice zlata, što sugerira da je glukoza bitna u usmjeravanju morfologije prema vrpci.

Ogledni protokol za sonokemijsku sintezu nano-zlata

Prekursorski materijali koji se koriste za sintezu AuNP-ova obloženih citratom uključuju HAuCl4, natrijev citrat i destiliranu vodu. Kako bi se pripremio uzorak, prvi korak je uključivao otapanje HAuCl4 u destiliranoj vodi s koncentracijom od 0,03 M. Zatim je otopina HAuCl4 (2 mL) dodana kap po kap u 20 mL vodene 0,03 M otopine natrijeva citrata. Tijekom faze miješanja, ultrazvučna sonda visoke gustoće (20 kHz) s ultrazvučnom rogom umetnuta je u otopinu na 5 minuta pri zvučnoj snazi od 17,9 W·cm²
(usp. Dhabey i dr. 2020.)

Sinteza zlatnog nanopojasa korištenjem sonikacije

Pojedinačni kristalni nanopojasi (vidi TEM sliku lijevo) mogu se sintetizirati sonikacijom vodene otopine HAuCl4 u prisutnosti α-D-glukoze kao reagensa. Sonokemijski sintetizirani zlatni nanopojasi pokazuju prosječnu širinu od 30 do 50 nm i duljinu od nekoliko mikrometara. Ultrazvučna reakcija za proizvodnju zlatnih nanopojasa je jednostavna, brza i izbjegava upotrebu otrovnih tvari. (usp. Zhang et al, 2006.)

Surfaktanti koji utječu na sonokemijsku sintezu zlatnih NP

Primjena intenzivnog ultrazvuka na kemijske reakcije pokreće i potiče pretvorbu i prinose. Kako bi se postigla ujednačena veličina čestica i određeni ciljani oblici/morfologija, izbor surfaktanata je kritičan čimbenik. Dodavanje alkohola također pomaže u kontroli oblika i veličine čestica. Na primjer, u prisutnosti ad-glukoze, glavne reakcije u procesu sonolize vodenog HAuCl₄ kao što je prikazano u sljedećim jednadžbama (1-4):
(1) H₂ O —> H∙ + OH∙
(2) sugar —> pyrolysis radicals
(3) AIII + reducing radicals —> Au⁰
(4) nAu⁰ —> AuNP (nanobelts)
(usp. Zhao et al., 2014.)

Snaga ultrazvučnih sondi

Ultrazvučne sonde ili sonotrode (također zvane ultrazvučne rogove) isporučuju ultrazvuk visokog intenziteta i akustičnu kavitaciju u vrlo fokusiranom obliku u kemijske otopine. Ovaj precizno upravljiv i učinkovit prijenos snage ultrazvuka omogućuje pouzdane, precizno upravljive i ponovljive uvjete, u kojima se putevi kemijske reakcije mogu pokrenuti, intenzivirati i mijenjati. Nasuprot tome, ultrazvučna kupka (također poznata kao ultrazvučni čistač ili spremnik) isporučuje ultrazvuk s vrlo niskom gustoćom snage i nasumično prisutnim mrljama kavitacije u veliki volumen tekućine. To čini ultrazvučne kupke nepouzdanima za bilo kakve sonokemijske reakcije.
“Ultrazvučne kupke za čišćenje imaju gustoću snage koja odgovara malom postotku snage koju stvara ultrazvučna truba. Upotreba kupki za čišćenje u sonokemiji je ograničena, s obzirom na to da se ne postiže uvijek potpuno homogena veličina i morfologija čestica. To je zbog fizičkih učinaka ultrazvuka na procese nukleacije i rasta.” (González-Mendoza i dr. 2015.)

Ultrazvučni uređaji visokih performansi za sintezu nanočestica zlata

Hielscher Ultrasonics isporučuje snažne i pouzdane ultrazvučne procesore za sonokemijsku sintezu (sono-sinteza) nanočestica kao što su zlato i druge nanostrukture plemenitih metala. Ultrazvučna agitacija i disperzija povećava prijenos mase u heterogenim sustavima i potiče vlaženje i kasniju nukleaciju atomskih klastera kako bi se istaložile nanočestice. Ultrazvučna sinteza nano-čestica je jednostavna, isplativa, biokompatibilna, ponovljiva, brza i sigurna metoda.
Hielscher Ultrasonics isporučuje moćne i precizno kontrolirane ultrazvučne procesore za formiranje struktura nano veličine kao što su nanošere, nanošipke, nanopojasi, nano-vrpce, nanoklasteri, čestice jezgra-ljuska itd.
Pročitajte više o ultrazvučnoj sintezi magnetskih nanočestica!
Naši kupci cijene pametne značajke Hielscher digitalnih uređaja koji su opremljeni inteligentnim softverom, zaslonom osjetljivim na dodir u boji, automatskim protokoliranjem podataka na ugrađenoj SD kartici i imaju intuitivan izbornik za jednostavan i siguran rad.
Pokrivajući kompletan raspon snage od 50 watta ručnih ultrazvučnih uređaja za laboratorij do 16.000 watta snažnih industrijskih ultrazvučnih sustava, Hielscher ima idealnu ultrazvučnu postavku za vašu primjenu. Sonokemijska oprema za šaržnu i kontinuiranu linijsku proizvodnju u protočnim reaktorima dostupna je na bilo kojoj stolnoj i industrijskoj veličini. Robusnost Hielscher sonikatora omogućuje rad 24/7 pri teškim uvjetima rada iu zahtjevnim okruženjima.

Donja tablica daje vam naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja: