Sinteza nanosrebra medom i ultrazvukom

Nanosrebro se zbog svojih antibakterijskih svojstava upotrebljava za poboljšanje svojstava materijala u medicini i znanosti o materijalima. Ultrazvučna obrada omogućuje brzu, učinkovitu, sigurnu i ekološki prihvatljivu sintezu sfernih nanočestica srebra u vodi. Ultrazvučna sinteza nanočestica lako se može skalirati od male do velike proizvodnje.

Ultrazvučno potpomognuta sinteza koloidnog nanosrebra

Sonokemijska sinteza, koja se odnosi na kemijske reakcije potpomognute ultrazvučnim zračenjem, široko je primjenjivana metoda za proizvodnju nanočestica. One uključuju srebro, zlato, magnetit, hidroksiapatit, perovskit, lateks i mnoge druge nanomaterijale.

Ultrazvučna mokra kemijska sinteza

Za proizvodnju nanočestica srebra razvijeno je više ultrazvučno potpomognutih postupaka sinteze. Jedna istaknuta metoda upotrebljava med i kao redukcijsko sredstvo i kao sredstvo za površinsku stabilizaciju. Sastojci meda, poput glukoze i fruktoze, sinergijski djeluju u tim ulogama tijekom procesa sinteze.
Slično mnogim tehnikama sinteze nanočestica, ultrazvučna sinteza nanosrebra pripada mokroj kemiji. Proces započinje nukleacijom nanočestica srebra u otopini. Tijekom sonikacije prekursor srebra (npr. srebrov nitrat (AgNO₃) ili srebrov perklorat (AgClO₄)) reducira se u prisutnosti redukcijskog sredstva, poput meda, pri čemu nastaje koloidno srebro.

Mehanizam ultrazvučne nukleacije i rasta srebra

Početna faza nukleacije: Kako se koncentracija otopljenih iona srebra povećava, ioni metalnog srebra počinju se povezivati u male klastere. U ovoj su fazi ti klasteri energetski nestabilni zbog negativne energetske bilance. Energija potrebna za stvaranje novih površina premašuje energiju dobivenu smanjenjem koncentracije otopljenog srebra.

• Kritični polumjer: Kada klaster dosegne određenu veličinu (kritični polumjer), proces postaje energetski povoljan, čime se klaster stabilizira. Ta stabilnost omogućuje klasteru da djeluje kao jezgra za daljnji rast.
• Faza rasta: Tijekom rasta dodatni atomi srebra difundiraju kroz otopinu i vežu se na površinu rastuće nanočestice. Rast se nastavlja dok koncentracija otopljenog srebra ne padne ispod praga nukleacije, čime se zaustavlja nastanak novih jezgri.
• Difuzija i završetak: Preostalo otopljeno srebro ugrađuje se u postojeće nanočestice, čime se proces završava.

Sonikacija ubrzava prijenos tvari, osobito procese kvašenja i difuzije, što dovodi do brže nukleacije i kontroliranog rasta. Preciznim podešavanjem parametara sonikacije, poput intenziteta i trajanja, mogu se fino prilagoditi veličina, brzina rasta i oblik nanočestica. Ta precizna kontrola osigurava ujednačene strukture nanočestica prilagođene specifičnim primjenama.

Ultrazvučno potpomognuta sinteza ističe se kao učinkovit i skalabilan pristup zelene kemije za proizvodnju nanosrebra s jasno definiranim svojstvima, koji nudi znatne prednosti za različite primjene u istraživanju i industriji.

Kliknite ovdje i pročitajte više o još jednoj zelenoj metodi ultrazvučne sinteze nanosrebra s pomoću karagenana!

Sonikacija olakšava brzu, zelenu sintezu malih nanočestica srebra s uskom raspodjelom veličina.

Studija slučaja ultrazvučne sinteze nanosrebra

Studija pod naslovom „Sinteza nanočestica srebra na bazi meda uz pomoć ultrazvuka i njihovo antibakterijsko djelovanje” autora Oskuee i sur. (2016) istražuje jednostavnu i ekološki prihvatljivu metodu sinteze nanočestica srebra (Ag-NPs) uporabom prirodnog meda kao redukcijskog i stabilizacijskog sredstva. Proces, koji uključuje redukciju srebrova nitrata (AgNO₃) pri ultrazvučnom ozračivanju, karakteriziraju različiti parametri, uključujući koncentraciju srebrovih iona, koncentraciju meda i vrijeme sonikacije. Dobivene Ag-NPs imaju prosječnu veličinu od približno 11,8 nm i pokazuju antibakterijska svojstva protiv patogenih bakterija kao što su Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa i E. coli.
Studija ističe prednosti uporabe meda u sintezi nanočestica, naglašavajući njegovu ekološku prihvatljivost, nisku cijenu i netoksičnost. Autori pokazuju da se veličina i prinos Ag-NPs mogu kontrolirati prilagodbom reakcijskih parametara kao što su koncentracija srebra, udio meda i trajanje sonikacije. Pokazalo se da sintetizirane Ag-NPs imaju učinkovito antibakterijsko djelovanje, osobito protiv E. coli i S. aureus, uz minimalne inhibicijske koncentracije (MIC) od približno 19,46 ppm. Ova metoda otvara mogućnost primjene Ag-NPs u medicinskim područjima, uključujući zacjeljivanje rana i kontrolu infekcija.

• Materijali: srebrov nitrat (AgNO₃) kao prekursor srebra; med kao sredstvo za oblaganje / redukciju; voda
• Ultrazvučni uređaj: Sonikator sa sondom UP400St

Protokol ultrazvučne sinteze

Utvrđeno je da su najbolji uvjeti za sintezu koloidnih nanočestica srebra sljedeći: redukcija srebrova nitrata uz ultrazvučnu obradu posredovanu prirodnim medom. Ukratko, 20 ml otopine srebrova nitrata (0,3 M) koja sadržava med (20 wt%) izloženo je ultrazvučnom ozračivanju visokog intenziteta pri ambijentalnim uvjetima tijekom 30 min. Ultrazvučna obrada provedena je ultrazvučnim uređajem sa sondom UP400S (400W, 24 kHz) uronjenom izravno u reakcijsku otopinu.
Med prehrambene kvalitete upotrebljava se kao sredstvo za oblaganje / stabilizaciju i redukciju, što vodenu otopinu za nukleaciju i istaložene nanočestice čini čistima i sigurnima za raznovrsne primjene.
S produljenjem vremena ultrazvučne obrade nanočestice srebra postaju manje, a njihova se koncentracija povećava.
U vodenoj otopini meda ultrazvučna je obrada ključan čimbenik koji utječe na nastanak nanočestica srebra. Parametri sonikacije kao što su amplituda, vrijeme i kontinuirani ili pulsni ultrazvuk glavni su čimbenici koji omogućuju kontrolu veličine i količine nanočestica srebra.

Raspodjela veličine čestica Ag-NPs sintetiziranih u optimalnim uvjetima; koncentracije srebra (0,3 M), koncentracije meda (20 wt%) i vremena ultrazvučnog ozračivanja (30 min)
izvor slike: ©Oskuee et al. 2016

Rezultat ultrazvučne sinteze nanočestica srebra

Sintezom potpomognutom ultrazvukom i posredovanom medom uz uporabu sonikatora UP400St dobivene su sferne nanočestice srebra (Ag-NPs) s prosječnom veličinom čestica od približno 11,8nm. Ultrazvučna sinteza nanočestica srebra jednostavna je i brza metoda koja se provodi u jednoj posudi. Uporaba vode i meda kao materijala čini reakciju troškovno učinkovitom i iznimno ekološki prihvatljivom.
Prikazana tehnika ultrazvučne sinteze uporabom meda kao redukcijskog sredstva i sredstva za oblaganje može se proširiti na druge plemenite metale, kao što su zlato, paladij i bakar, što pruža različite dodatne mogućnosti primjene od medicine do industrije.

Raspodjela veličine čestica Ag-NPs sintetiziranih u optimalnim uvjetima; koncentracije srebra (0,3 M), koncentracije meda (20 wt%) i vrijeme ultrazvučnog ozračivanja (30 min)
Studija i slika: ©Oskuee et al. 2016

Utjecaj na nukleaciju i veličinu čestica sonikacijom

Ultrazvuk omogućuje proizvodnju nanočestica, poput nanočestica srebra, prilagođenih zahtjevima. Tri opća načina sonikacije imaju važne učinke na rezultat:
Početna sonikacija: Kratkotrajna primjena ultrazvučnih valova na prezasićenu otopinu može pokrenuti zasijavanje i stvaranje jezgri. Budući da se sonikacija primjenjuje samo tijekom početne faze, naknadni rast kristala odvija se neometano, što rezultira većim kristalima.
Kontinuirana sonikacija: Kontinuirano ozračivanje prezasićene otopine rezultira malim kristalima jer ultrazvučna obrada bez prekida stvara mnogo jezgri, što dovodi do rasta brojnih malih kristala.
Pulsna sonikacija: Pulsni ultrazvuk podrazumijeva primjenu ultrazvuka u određenim intervalima. Precizno kontroliran unos ultrazvučne energije omogućuje utjecaj na rast kristala kako bi se dobila željena veličina kristala.

Ultrazvučni uređaji visokih performansi za sintezu nanočestica

Hielscher Ultrasonics nudi pouzdane ultrazvučne procesore velike snage namijenjene naprednim sonokemijskim primjenama, uključujući sonosintezu i sonokatalizu. Ultrazvučno miješanje i dispergiranje znatno poboljšavaju prijenos mase, potiču vlaženje nakupina atoma i olakšavaju njihovu naknadnu nukleaciju, što dovodi do učinkovitog taloženja nanočestica. Ultrazvučna sinteza prepoznata je kao jednostavna, ekonomična, biokompatibilna, ponovljiva, brza i sigurna metoda za proizvodnju visokokvalitetnih nanomaterijala. (Pročitajte više o sonokemijskoj sintezi perovskita i nanostruktura ZnO!)

Hielscher ultrazvučni uređaji konstruirani su za precizno upravljanje, čime omogućuju optimalne uvjete za nukleaciju i rast nanomaterijala. Ovi digitalni uređaji imaju inteligentan softver, dodirni zaslon u boji i intuitivan izbornik za sigurno rukovanje prilagođeno korisniku. Osim toga, omogućuju automatsko bilježenje podataka na ugrađenu SD karticu, čime osiguravaju neometano dokumentiranje procesa.

Uz sveobuhvatan raspon sustava – od kompaktnih ručnih ultrazvučnih uređaja snage 50 vata za laboratorijsku uporabu do robusnih industrijskih sustava snage 16.000 vata – Hielscher pruža idealno ultrazvučno rješenje za svaku primjenu. Projektirana za dugotrajnost, Hielscher ultrazvučna oprema izrađena je za kontinuiran rad u uvjetima velikog opterećenja, čak i u zahtjevnim okruženjima, osiguravajući pouzdan rad 24/7.
Tablica u nastavku daje pregled približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:

Usporedba konvencionalnih metoda i metoda zelene sinteze nanočestica.