Nanoezüst szintézise mézzel és ultrahanggal

A nanoezüstöt antibakteriális tulajdonságai miatt használják az orvostudományban és az anyagtudományban alkalmazott anyagok tulajdonságainak javítására. Az ultrahangos kezelés lehetővé teszi gömb alakú ezüst-nanorészecskék gyors, hatékony, biztonságos és környezetbarát szintézisét vízben. Az ultrahangos nanorészecske-szintézis könnyen méretezhető a kis mennyiségű előállítástól a nagyüzemi termelésig.

Kolloidális nanoezüst ultrahanggal segített szintézise

A szonokémiai szintézis, amely az ultrahangos besugárzással elősegített kémiai reakciókat jelenti, széles körben alkalmazott módszer nanorészecskék előállítására. Ide tartozik az ezüst, az arany, a magnetit, a hidroxiapatit, a perovszkit, a latex és számos más nanoanyag.

Ultrahangos nedves kémiai szintézis

Az ezüst-nanorészecskék előállítására több, ultrahanggal segített szintézisútvonalat fejlesztettek ki. Az egyik figyelemre méltó módszer mézet alkalmaz redukálószerként és felületlezáró szerként egyaránt. A méz összetevői, például a glükóz és a fruktóz, szinergikusan töltik be ezeket a szerepeket a szintézis során.
Számos nanorészecske-szintézishez hasonlóan az ultrahangos nanoezüst-szintézis is a nedves kémia kategóriájába tartozik. A folyamat az ezüst-nanorészecskék magképződésével kezdődik az oldatban. Az ultrahangos kezelés során egy ezüstprekurzor (pl. ezüst-nitrát (AgNO₃) vagy ezüst-perklorát (AgClO₄)) redukálódik egy redukálószer, például méz jelenlétében, és kolloidális ezüst keletkezik.

Az ultrahangos ezüstmagképződés és -növekedés mechanizmusa

Kezdeti magképződési szakasz: Az oldott ezüstionok koncentrációjának növekedésével a fémes ezüstionok összekapcsolódva kis klasztereket kezdenek kialakítani. Ebben a szakaszban ezek a klaszterek a negatív energiamérleg miatt energetikailag instabilak. Az új felületek létrehozásához szükséges energia meghaladja az oldott ezüst koncentrációjának csökkentésével nyert energiát.

• Kritikus sugár: Amikor egy klaszter elér egy meghatározott méretet (a kritikus sugarat), a folyamat energetikailag kedvezővé válik, és a klaszter stabilizálódik. Ez a stabilitás lehetővé teszi, hogy a klaszter a további növekedés magjaként szolgáljon.
• Növekedési szakasz: A növekedés során további ezüstatomok diffundálnak az oldaton keresztül, és a növekvő nanorészecske felületéhez kapcsolódnak. A növekedés addig folytatódik, amíg az oldott ezüst koncentrációja a magképződési küszöb alá nem csökken, leállítva az új magok képződését.
• Diffúzió és befejeződés: A megmaradt oldott ezüst beépül a meglévő nanorészecskékbe, és ezzel a folyamat befejeződik.

Az ultrahangos kezelés felgyorsítja az anyagátadást, különösen a nedvesítési és diffúziós folyamatokat, ami gyorsabb magképződéshez és szabályozott növekedéshez vezet. Az ultrahangos kezelés paramétereinek, például intenzitásának és időtartamának pontos beállításával finoman szabályozható a nanorészecskék mérete, növekedési sebessége és alakja. Ez a pontos szabályozás egyenletes, az adott alkalmazásokhoz igazított nanorészecske-szerkezeteket biztosít.

Az ultrahanggal segített szintézis a jól meghatározott tulajdonságú nanoezüst előállításának hatékony, méretezhető, zöld kémiai megközelítéseként tűnik ki, és jelentős előnyöket kínál a kutatás és az ipar különféle alkalmazásaiban.

Kattintson ide, és tudjon meg többet egy másik zöld módszerről, amellyel karragén felhasználásával ultrahangosan szintetizálható nanoezüst!

Az ultrahangos kezelés elősegíti a kis méretű, szűk méreteloszlású ezüst-nanorészecskék gyors, zöld szintézisét.

Esettanulmány az ultrahangos nanoezüst-szintézisről

Oskuee és munkatársai (2016) „Ezüst-nanorészecskék mézalapú, ultrahanggal segített szintézise és antibakteriális aktivitásuk” című tanulmánya az ezüst-nanorészecskék (Ag-NPs) szintézisének egyszerű és környezetbarát módszerét vizsgálja, amely természetes mézet használ redukálószerként és stabilizálószerként egyaránt. Az ezüst-nitrát (AgNO₃) ultrahangos besugárzás melletti redukcióját magában foglaló folyamatot különböző paraméterek jellemzik, köztük az ezüstion-koncentráció, a mézkoncentráció és az ultrahangos kezelés időtartama. A kapott Ag-NPs átlagos mérete körülbelül 11,8 nm, és antibakteriális tulajdonságokat mutatnak olyan patogén baktériumokkal szemben, mint a Staphylococcus aureus, a Pseudomonas aeruginosa és az E. coli.
A tanulmány kiemeli a méz nanorészecske-szintézisben való használatának előnyeit, hangsúlyozva zöld jellegét, alacsony költségét és nem toxikus természetét. A szerzők bemutatják, hogy az Ag-NPs mérete és hozama szabályozható olyan reakcióparaméterek beállításával, mint az ezüstkoncentráció, a méztartalom és az ultrahangos kezelés időtartama. A szintetizált Ag-NPs bizonyítottan hatékony antibakteriális aktivitást mutattak, különösen az E. coli és a S. aureus ellen, körülbelül 19,46 ppm minimális gátló koncentrációval (MIC). Ez a módszer az Ag-NPs lehetséges alkalmazását kínálja az orvosi területeken, beleértve a sebgyógyítást és a fertőzések elleni védekezést.

• Anyagok: ezüst-nitrát (AgNO₃) ezüstprekurzorként; méz felületlezáró szerként / redukálószerként; víz
• Ultrahangos készülék: UP400St szondás ultrahangos készülék

Az ultrahangos szintézis protokollja

A kolloidális ezüst-nanorészecskék szintéziséhez a következő feltételek bizonyultak a legjobbnak: az ezüst-nitrát redukciója ultrahangos kezelés mellett, természetes méz közvetítésével. Röviden: 20 ml mézet (20 wt%) tartalmazó ezüst-nitrát-oldatot (0,3 M) környezeti körülmények között 30 min időtartamú, nagy intenzitású ultrahangos besugárzásnak tettek ki. Az ultrahangos kezelést a reakcióoldatba közvetlenül bemerített UP400S szondás ultrahangos készülékkel (400W, 24 kHz) végezték.
Élelmiszeripari minőségű mézet használnak felületlezáró szerként / stabilizálószerként és redukálószerként, így a vizes magképződési oldat és a kicsapódott nanorészecskék tiszták és biztonságosak számos alkalmazás számára.
Az ultrahangos kezelés időtartamának növekedésével az ezüst-nanorészecskék kisebbé válnak, koncentrációjuk pedig növekszik.
A vizes mézoldatban az ultrahangos kezelés az ezüst-nanorészecskék képződését befolyásoló kulcsfontosságú tényező. Az ultrahangos kezelés paraméterei, például az amplitúdó, az időtartam és a folyamatos vagy pulzáló ultrahang alkalmazása olyan fő tényezők, amelyek lehetővé teszik az ezüst-nanorészecskék méretének és mennyiségének szabályozását.

Az optimális körülmények között szintetizált Ag-NPs részecskeméret-eloszlása; ezüstkoncentrációk (0,3 M), mézkoncentrációk (20 wt%) és ultrahangos besugárzási időtartamok (30 min)
a kép forrása: ©Oskuee et al. 2016

Az ezüst-nanorészecskék ultrahangos szintézisének eredménye

Az UP400St ultrahangos készülékkel végzett, ultrahanggal elősegített, méz közvetítésével megvalósuló szintézis gömb alakú ezüst-nanorészecskéket (Ag-NPs) eredményezett, körülbelül 11,8nm átlagos részecskemérettel. Az ezüst-nanorészecskék ultrahangos szintézise egyszerű és gyors, egyetlen reakcióedényben végzett módszer. A víz és a méz alapanyagként történő használata költséghatékonnyá és rendkívül környezetbaráttá teszi a reakciót.
A bemutatott ultrahangos szintézistechnika, amely mézet használ redukálószerként és felületlezáró szerként, más nemesfémekre, például aranyra, palládiumra és rézre is kiterjeszthető, ami számos további alkalmazási lehetőséget kínál az orvostudománytól az iparig.

Az optimális körülmények között szintetizált Ag-NPs részecskeméret-eloszlása; ezüstkoncentrációk (0,3 M), mézkoncentrációk (20 wt%) és ultrahangos besugárzási időtartam (30 min)
Tanulmány és kép: ©Oskuee et al. 2016

A magképződés és a részecskeméret befolyásolása ultrahangos kezeléssel

Az ultrahang lehetővé teszi az igényekhez igazított nanorészecskék, például ezüst-nanorészecskék előállítását. Az ultrahangos kezelés három általános módja jelentősen befolyásolja az eredményt:
Kezdeti ultrahangos kezelés: Az ultrahanghullámok rövid idejű alkalmazása túltelített oldatban elindíthatja a magképzést és a magok kialakulását. Mivel az ultrahangos kezelést csak a kezdeti szakaszban alkalmazzák, az ezt követő kristálynövekedés akadálytalanul zajlik, és nagyobb kristályokat eredményez.
Folyamatos ultrahangos kezelés: A túltelített oldat folyamatos besugárzása kis kristályokat eredményez, mivel a megszakítás nélküli ultrahangos kezelés sok magot hoz létre, ami számos kis kristály növekedéséhez vezet.
Pulzáló ultrahangos kezelés: A pulzáló ultrahang az ultrahang meghatározott időközönként történő alkalmazását jelenti. Az ultrahangenergia pontosan szabályozott bevitele lehetővé teszi a kristálynövekedés befolyásolását a kívánt kristályméret elérése érdekében.

Nagy teljesítményű ultrahangos készülékek nanorészecske-szintézishez

A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű, megbízható ultrahangos processzorokat kínál fejlett szonokémiai alkalmazásokhoz, beleértve a szonoszintézist és a szonokatalízist. Az ultrahangos keverés és diszpergálás jelentősen fokozza az anyagátadást, elősegíti az atomklaszterek nedvesítését és az ezt követő magképződésüket, ami a nanorészecskék hatékony kicsapódásához vezet. Az ultrahangos szintézist a kiváló minőségű nanoanyagok előállításának egyszerű, költséghatékony, biokompatibilis, reprodukálható, gyors és biztonságos módszereként tartják számon. (Tudjon meg többet a perovszkit szonokémiai szintéziséről és a ZnO-nanoszerkezetek szintéziséről!)

A Hielscher ultrahangos készülékeket pontos szabályozásra tervezték, lehetővé téve a nanoanyagok magképződéséhez és növekedéséhez szükséges optimális feltételek biztosítását. Ezek a digitális készülékek intelligens szoftverrel, színes érintőkijelzővel és intuitív menüvel rendelkeznek a biztonságos és felhasználóbarát működtetés érdekében. Emellett automatikus adatrögzítést végeznek egy beépített SD-kártyára, biztosítva a folyamat zökkenőmentes dokumentálását.

Átfogó rendszerkínálatával – a laboratóriumi használatra szánt kompakt, 50 wattos kézi ultrahangos készülékektől a robusztus, 16 000 wattos ipari rendszerekig – a Hielscher minden alkalmazáshoz ideális ultrahangos megoldást biztosít. A tartósságra tervezett Hielscher ultrahangos berendezéseket úgy alakították ki, hogy nagy igénybevétel mellett is folyamatosan működjenek, még megterhelő környezetben is, megbízható teljesítményt biztosítva 24/7 üzemben.
Az alábbi táblázat tájékoztatást ad ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitásáról:

A nanorészecske-szintézis hagyományos módszereinek és zöld szintézismódszereinek összehasonlítása.