Ոսկու նանոմասնիկների արդյունավետ և վերահսկվող սինթեզ

Միատեսակ ձևով և մորֆոլոգիայով ոսկու նանոմասնիկներ կարելի է արդյունավետորեն սինթեզել սոնոքիմիական եղանակով։ Ուլտրաձայնով խթանվող՝ ոսկու նանոմասնիկների սինթեզի քիմիական ռեակցիան կարելի է ճշգրիտ վերահսկել՝ մասնիկների չափի, ձևի (օրինակ՝ նանոգնդեր, նանոձողեր, նանոգոտիներ և այլն) և մորֆոլոգիայի առումով։ Արդյունավետ, պարզ, արագ և կանաչ քիմիական ընթացակարգը հնարավորություն է տալիս հուսալիորեն արտադրել ոսկու նանոկառուցվածքներ արդյունաբերական մասշտաբով։

Ոսկու նանոմասնիկներ և նանոկառուցվածքներ

Ոսկու նանոմասնիկներն ու նանոչափային կառուցվածքները լայնորեն կիրառվում են հետազոտությունների ու մշակումների և արդյունաբերական գործընթացների մեջ՝ նանոչափային ոսկու եզակի հատկությունների շնորհիվ, որոնց թվում են էլեկտրոնային, մագնիսական և օպտիկական բնութագրերը, քվանտային չափային էֆեկտները, մակերևութային պլազմոնային ռեզոնանսը, բարձր կատալիտիկ ակտիվությունը, ինքնակազմավորումը և այլ հատկություններ։ Ոսկու նանոմասնիկների (Au-NPs) կիրառման ոլորտները տարածվում են որպես կատալիզատոր օգտագործումից մինչև նանոէլեկտրոնային սարքերի արտադրություն, ինչպես նաև ներառում են կիրառություններ պատկերավորման, նանոֆոտոնիկայի, նանոմագնիսական ոլորտում, կենսասենսորներում, քիմիական սենսորներում, օպտիկական և թերանոստիկ կիրառություններում, դեղերի առաքման մեջ և այլ նպատակներով։

Ոսկու նանոմասնիկների սինթեզի մեթոդներ

Նանոկառուցվածքային ոսկու մասնիկներ կարելի է սինթեզել տարբեր եղանակներով՝ կիրառելով բարձր արդյունավետության ուլտրաձայնային մշակում։ Ուլտրաձայնային մշակումը ոչ միայն պարզ, արդյունավետ և հուսալի մեթոդ է, այլև պայմաններ է ստեղծում ոսկու իոնների քիմիական վերականգնման համար՝ առանց թունավոր կամ ագրեսիվ քիմիական ազդանյութերի, և հնարավորություն է տալիս ձևավորել տարբեր մորֆոլոգիաներով ազնիվ մետաղների նանոմասնիկներ։ Եղանակի և սոնոքիմիական մշակման (հայտնի է նաև որպես սոնոսինթեզ) ընտրությունը թույլ է տալիս ստանալ միատեսակ չափով և մորֆոլոգիայով ոսկու նանոկառուցվածքներ, օրինակ՝ ոսկու նանոգնդեր, նանոձողեր, նանոգոտիներ և այլն։
Ստորև ներկայացված են ոսկու նանոմասնիկների ստացման որոշ ընտրված սոնոքիմիական ուղիներ։

Ուլտրաձայնով բարելավված Տուրկևիչի մեթոդ

Ուլտրաձայնային մշակումն օգտագործվում է Տուրկևիչի՝ ցիտրատով վերականգնման ռեակցիան, ինչպես նաև Տուրկևիչի ձևափոխված ընթացակարգերն ուժեղացնելու համար։
Տուրկևիչի մեթոդով ստացվում են մոտ 10–20nm տրամագծով, չափավոր մոնոդիսպերս գնդաձև ոսկու նանոմասնիկներ։ Կարելի է ստանալ ավելի խոշոր մասնիկներ, սակայն մոնոդիսպերսության և ձևի հաշվին։ Այս մեթոդում տաք քլորաոսկաթթուն մշակվում է նատրիումի ցիտրատի լուծույթով՝ առաջացնելով կոլոիդային ոսկի։ Տուրկևիչի ռեակցիան ընթանում է ոսկու անցողիկ նանոլարերի առաջացման միջոցով։ Ոսկու այս նանոլարերն են պայմանավորում ռեակցիոն լուծույթի մուգ տեսքը՝ նախքան դրա սուտակակարմիր դառնալը։
Fuentes-García et al. (2020), որոնք սոնոքիմիական եղանակով սինթեզել են ոսկու նանոմասնիկներ, հաղորդում են, որ հնարավոր է արտադրել կլանման բարձր փոխազդեցությամբ ոսկու նանոմասնիկներ՝ ուլտրաձայնային մշակումն օգտագործելով որպես էներգիայի միակ աղբյուր, նվազեցնելով լաբորատոր պահանջները և վերահսկելով հատկությունները՝ պարզ պարամետրերի փոփոխման միջոցով։
Lee et al. (2012) ցույց են տվել, որ ուլտրաձայնային էներգիան առանցքային պարամետր է 20-ից 50 nm կարգավորվող չափերով գնդաձև ոսկու նանոմասնիկների (AuNPs) ստացման համար։ Նատրիումի ցիտրատով վերականգնման միջոցով սոնոսինթեզը ջրային լուծույթում, մթնոլորտային պայմաններում առաջացնում է մոնոդիսպերս գնդաձև ոսկու նանոմասնիկներ։

Տուրկևիչ–Ֆրենսի մեթոդը՝ ուլտրաձայնի կիրառմամբ

Վերը նկարագրված ռեակցիոն ուղու ձևափոխված տարբերակը Տուրկևիչ–Ֆրենսի մեթոդն է, որը ոսկու նանոմասնիկների սինթեզի պարզ բազմափուլ գործընթաց է։ Ուլտրաձայնային մշակումը խթանում է Տուրկևիչ–Ֆրենսի ռեակցիոն ուղին նույն կերպ, ինչ Տուրկևիչի ուղին։ Տուրկևիչ–Ֆրենսի բազմափուլ գործընթացի սկզբնական փուլը, որտեղ ռեակցիաներն ընթանում են հաջորդաբար և զուգահեռաբար, ցիտրատի օքսիդացումն է, որի արդյունքում առաջանում է դիկարբօքսիացետոն։ Այնուհետև ոսկու(III) աղը վերականգնվում է՝ առաջացնելով ոսկու(I) աղ և Au⁰, իսկ ոսկու(I) աղը հավաքվում է Au⁰ ատոմների վրա՝ ձևավորելով AuNP (տես ստորև բերված սխեման)։
 

Ոսկու նանոմասնիկների սինթեզը Տուրկևիչի մեթոդով։
սխեման և հետազոտությունը՝ ©Zhao et al., 2013

Սա նշանակում է, որ Տուրկևիչ–Ֆրենսի ռեակցիայում AuNP մասնիկների իրական կայունացուցիչի դերը կատարում է ցիտրատի օքսիդացումից առաջացող դիկարբօքսիացետոնը, այլ ոչ թե հենց ցիտրատը։ Ցիտրատային աղը լրացուցիչ փոխում է համակարգի pH-ը, որն ազդում է ոսկու նանոմասնիկների (AuNPs) չափերի և չափերի բաշխման վրա։ Տուրկևիչ–Ֆրենսի ռեակցիայի այս պայմաններում ստացվում են գրեթե մոնոդիսպերս ոսկու նանոմասնիկներ՝ 20–40nm չափերով։ Մասնիկների ճշգրիտ չափը կարելի է փոփոխել լուծույթի pH-ի փոփոխությամբ, ինչպես նաև ուլտրաձայնային պարամետրերով։ Ցիտրատով կայունացված AuNP մասնիկները միշտ ավելի մեծ են, քան 10 nm՝ տրինատրիումի ցիտրատի դիհիդրատի սահմանափակ վերականգնող ունակության պատճառով։ Սակայն AuNP մասնիկների սինթեզի ընթացքում որպես լուծիչ D₂O օգտագործելը՝ H2O-ի փոխարեն, թույլ է տալիս սինթեզել 5 nm չափով AuNP մասնիկներ։ Քանի որ D2O-ի ավելացումը մեծացնում է ցիտրատի վերականգնող ուժը, D2O և C₆H₉Na₃O₉ համակցությունը։ (տե՛ս Zhao et al., 2013)

Տուրկևիչ–Ֆրենսի սոնոքիմիական ուղու ընթացակարգը

Տուրկևիչ–Ֆրենսի մեթոդով՝ ստորից վեր կառուցման ընթացակարգով ոսկու նանոմասնիկներ սինթեզելու համար 50mL քլորաուրական թթու (HAuCl₄), 0,025 mM կոնցենտրացիայով, լցվում է 100 mL ապակե բաժակի մեջ, որի մեջ 1 mL 1,5% (w/v) ջրային լուծույթի տեսքով տրինատրիումի ցիտրատ (Na₃Ct) է ավելացվում՝ սենյակային ջերմաստիճանում ուլտրաձայնային մշակման պայմաններում։ Ուլտրաձայնային մշակումն իրականացվել է 60W, 150W և 210W հզորություններով։ Նմուշներում կիրառված Na₃Ct/HAuCl₄ հարաբերությունը 3:1 (w/v) է։ Ուլտրաձայնային մշակումից հետո կոլոիդային լուծույթները տարբեր գույներ են ունեցել՝ մանուշակագույն՝ 60 W նմուշի դեպքում, և սուտակակարմիր՝ 150 և 210 W նմուշների դեպքում։ Կառուցվածքային բնութագրման համաձայն՝ ուլտրաձայնային մշակման հզորության մեծացմամբ ստացվել են ոսկու նանոմասնիկների ավելի փոքր չափերով և ավելի գնդաձև կլաստերներ։ Fuentes-García et al. (2021) իրենց հետազոտություններում ցույց են տալիս ուլտրաձայնային մշակման ուժեղացման մեծ ազդեցությունը սոնոքիմիական եղանակով սինթեզված ոսկու նանոմասնիկների չափերի, բազմանիստ կառուցվածքի և օպտիկական հատկությունների, ինչպես նաև դրանց առաջացման ռեակցիայի կինետիկայի վրա։ Համապատասխանեցված սոնոքիմիական ընթացակարգով կարելի է ստանալ ինչպես 16nm, այնպես էլ 12nm չափով ոսկու նանոմասնիկներ։ (Fuentes-García et al., 2021)
 

(a,b) TEM պատկեր (50 nm մասշտաբով) և (c) AuNP մասնիկների չափերի բաշխումը, երբ սինթեզն իրականացվել է
17,9 Wcm2 ուլտրաձայնային մշակման հզորությամբ։
Նկարը և հետազոտությունը՝ © Dheyab et al., 2020.

Ոսկու նանոմասնիկների սոնոլիզ

Ոսկու մասնիկների փորձարարական ստացման մեկ այլ մեթոդ է սոնոլիզը, որի դեպքում ուլտրաձայնը կիրառվում է 10 nm-ից փոքր տրամագծով ոսկու մասնիկների սինթեզի համար։ Կախված ռեագենտներից՝ սոնոլիտիկ ռեակցիան կարելի է իրականացնել տարբեր եղանակներով։ Օրինակ՝ HAuCl₄ և գլյուկոզ պարունակող ջրային լուծույթի ուլտրաձայնային մշակման ժամանակ հիդրօքսիլային ռադիկալներն ու շաքարի պիրոլիզի ռադիկալները գործում են որպես վերականգնող նյութեր։ Այս ռադիկալներն առաջանում են ինտենսիվ ուլտրաձայնով ստեղծված փլուզվող խոռոչների և ջրի հիմնական ծավալի միջև միջֆազային տիրույթում։ Ոսկու նանոկառուցվածքներն ունեն նանոժապավենների ձևաբանություն՝ 30–50 nm լայնությամբ և մի քանի միկրոմետր երկարությամբ։ Այս ժապավենները շատ ճկուն են և կարող են ծռվել 90°-ից մեծ անկյուններով։ Երբ գլյուկոզը փոխարինվում է ցիկլոդեքստրինով՝ գլյուկոզի օլիգոմերով, ստացվում են միայն գնդաձև ոսկու մասնիկներ, ինչը հուշում է, որ գլյուկոզն էական նշանակություն ունի ձևաբանությունը դեպի ժապավենաձև կառուցվածք ուղղորդելու համար։

Նանոոսկու սոնոքիմիական սինթեզի օրինակային ընթացակարգ

Ցիտրատով պատված AuNPs սինթեզելու համար օգտագործվող ելանյութերն են HAuCl4, նատրիումի ցիտրատը և թորած ջուրը։ Նմուշը պատրաստելու համար առաջին փուլում HAuCl4 լուծել են թորած ջրում՝ ստանալով 0,03 M կոնցենտրացիա։ Այնուհետև HAuCl4 լուծույթը (2 mL) կաթիլ առ կաթիլ ավելացրել են նատրիումի ցիտրատի 0,03 M ջրային լուծույթի 20 mL ծավալին։ Խառնման փուլում լուծույթի մեջ 5 min տևողությամբ ընկղմել են բարձր խտության ուլտրաձայնային զոնդ (20 kHz)՝ ուլտրաձայնային եղջյուրով, 17,9 W·cm հնչյունավորման հզորությամբ²
(հմմտ. Dhabey at al. 2020)

Ոսկու նանոժապավենների սինթեզը ուլտրաձայնային մշակմամբ

Միաբյուրեղային նանոժապավեններ (տե՛ս ձախ կողմում գտնվող TEM պատկերը) կարելի է սինթեզել HAuCl4 ջրային լուծույթի ուլտրաձայնային մշակմամբ՝ որպես ռեագենտ α-D-Glucose նյութի առկայությամբ։ Սոնաքիմիական եղանակով սինթեզված ոսկու նանոժապավենների միջին լայնությունը 30-ից 50 nm է, իսկ երկարությունը՝ մի քանի միկրոմետր։ Ոսկու նանոժապավենների ստացման ուլտրաձայնային ռեակցիան պարզ է, արագ և թույլ է տալիս խուսափել թունավոր նյութերի օգտագործումից։ (հմմտ. Zhang et al, 2006)

Մակերևութային ակտիվ նյութեր՝ ոսկու նանոմասնիկների սոնաքիմիական սինթեզի վրա ազդելու համար

Քիմիական ռեակցիաների վրա ինտենսիվ ուլտրաձայնի կիրառումը հարուցում և խթանում է փոխարկումն ու ելքերը։ Մասնիկների միատեսակ չափեր և որոշակի նպատակային ձևեր / մորֆոլոգիաներ ստանալու համար մակերևութային ակտիվ նյութերի ընտրությունը վճռորոշ գործոն է։ Սպիրտների ավելացումը նույնպես օգնում է վերահսկել մասնիկների ձևն ու չափը։ Օրինակ՝ a-d-glucose նյութի առկայությամբ ջրային HAuCl₄ լուծույթի սոնոլիզի գործընթացի հիմնական ռեակցիաները ներկայացված են հետևյալ հավասարումներում (1–4)՝
(1) H₂ O –> H∙ + OH∙
(2) շաքար –> պիրոլիզի ռադիկալներ
(3) AIII + վերականգնող ռադիկալներ –> Au⁰
(4) nAu⁰ –> AuNP (նանոժապավեններ)
(հմմտ. Zhao et al., 2014)

Զոնդային ուլտրաձայնային սարքերի հզորությունը


Ուլտրաձայնային զոնդերը կամ սոնոտրոդները (որոնք նաև կոչվում են ուլտրաձայնային եղջյուրներ) քիմիական լուծույթների մեջ խիստ կենտրոնացված ձևով հաղորդում են բարձր ինտենսիվության ուլտրաձայն և ակուստիկ կավիտացիա։ Հզոր ուլտրաձայնի այս ճշգրիտ կառավարելի և արդյունավետ փոխանցումն ապահովում է հուսալի, ճշգրիտ կառավարելի և վերարտադրելի պայմաններ, որոնցում քիմիական ռեակցիաների ուղիները կարելի է հարուցել, ինտենսիվացնել և փոխարկել։ Ի տարբերություն դրա՝ ուլտրաձայնային լոգանքը (որը նաև կոչվում է ուլտրաձայնային մաքրիչ կամ բաք) հեղուկի մեծ ծավալի մեջ հաղորդում է շատ ցածր հզորության խտությամբ ուլտրաձայն և պատահականորեն առաջացող կավիտացիոն օջախներ։ Սա ուլտրաձայնային լոգանքները դարձնում է անհուսալի ցանկացած սոնաքիմիական ռեակցիայի համար։
«Ուլտրաձայնային մաքրման լոգանքների հզորության խտությունը կազմում է ուլտրաձայնային եղջյուրի ստեղծած հզորության խտության փոքր տոկոսը։ Մաքրման լոգանքների կիրառությունը սոնաքիմիայում սահմանափակ է՝ հաշվի առնելով, որ մասնիկների լիովին միատեսակ չափեր և մորֆոլոգիա միշտ չէ, որ ստացվում են։ Դա պայմանավորված է սաղմնագոյացման և աճի գործընթացների վրա ուլտրաձայնի ֆիզիկական ազդեցություններով»։ (González-Mendoza et al. 2015)

Բարձր արտադրողականության ուլտրաձայնային սարքեր՝ ոսկու նանոմասնիկների սինթեզի համար

Hielscher Ultrasonics ընկերությունը մատակարարում է հզոր և հուսալի ուլտրաձայնային պրոցեսորներ նանոմասնիկների, օրինակ՝ ոսկու և այլ ազնիվ մետաղների նանոկառուցվածքների սոնաքիմիական սինթեզի (սոնոսինթեզի) համար։ Ուլտրաձայնային խառնումն ու դիսպերսացումը մեծացնում են զանգվածափոխանակությունը տարասեռ համակարգերում և նպաստում ատոմային կլաստերների թրջմանն ու հետագա սաղմնագոյացմանը՝ նանոմասնիկների նստեցման նպատակով։ Նանոմասնիկների ուլտրաձայնային սինթեզը պարզ, ծախսարդյունավետ, կենսահամատեղելի, վերարտադրելի, արագ և անվտանգ մեթոդ է։
Hielscher Ultrasonics ընկերությունը մատակարարում է հզոր և ճշգրիտ կառավարելի ուլտրաձայնային պրոցեսորներ նանոչափային կառուցվածքների, օրինակ՝ նանոգնդերի, նանոձողերի, նանոժապավենների, նանոժապավենաձև կառուցվածքների, նանոկլաստերների, միջուկ–թաղանթ կառուցվածքով մասնիկների և այլնի ձևավորման համար։
Կարդացեք ավելին բրոկոլիի միջնորդությամբ ոսկու նանոմասնիկների ուլտրաձայնային սինթեզի և որպես կենսածին դեղամիջոցներ դրանց կիրառության մասին։
Կարդացե՛ք ավելին մագնիսական նանոմասնիկների ուլտրաձայնային սինթեզի մասին։
Մեր հաճախորդները գնահատում են Hielscher թվային սարքերի խելացի գործառույթները։ Այս սարքերը հագեցած են խելացի ծրագրային ապահովմամբ, գունավոր սենսորային էկրանով, ներկառուցված SD քարտի վրա տվյալների ավտոմատ գրանցման գործառույթով և ունեն ինտուիտիվ ընտրացանկ՝ հարմարավետ ու անվտանգ շահագործման համար։
Ընդգրկելով հզորության ամբողջ տիրույթը՝ լաբորատորիայի համար նախատեսված 50 վատտ հզորությամբ ձեռքի ուլտրաձայնային սարքերից մինչև 16 000 վատտ հզորությամբ արդյունաբերական ուլտրաձայնային համակարգեր՝ Hielscher առաջարկում է ձեր կիրառության համար իդեալական ուլտրաձայնային սարքակազմը։ Հոսքային ռեակտորներում խմբաքանակային և շարունակական ներհոսքային արտադրության համար նախատեսված սոնոքիմիական սարքավորումները հասանելի են ցանկացած սեղանադիր և արդյունաբերական չափերով։ Hielscher ուլտրաձայնային սարքերի ամրությունը թույլ է տալիս աշխատել 24/7՝ մեծ բեռնվածությամբ և պահանջկոտ միջավայրերում։

Ստորև բերված աղյուսակը պատկերացում է տալիս մեր ուլտրաձայնային սարքերի մշակման մոտավոր արտադրողականության մասին.