Արծաթի նանոմասնիկների ստացման կանաչ սոնոքիմիական եղանակ
Արծաթի նանոմասնիկները (AgNPs) հաճախ օգտագործվող նանոնյութեր են՝ շնորհիվ իրենց հակամանրէային հատկությունների, օպտիկական հատկությունների և բարձր էլեկտրահաղորդականության։ Կապպա կարագինանի օգտագործմամբ սոնոքիմիական եղանակը արծաթի նանոմասնիկների ստացման պարզ, հարմար և շրջակա միջավայրի համար բարենպաստ սինթեզի մեթոդ է։ κ-կարագինանն օգտագործվում է որպես բնական, էկոլոգիապես բարենպաստ կայունացուցիչ, իսկ բարձր հզորության ուլտրաձայնը գործում է որպես կանաչ վերականգնիչ։
Կանաչ քիմիան պահանջում է պարամետրերի ճշգրիտ վերահսկում։ Նանոնյութերի ոլորտի մեր ինժեներները կօգնեն ձեզ ընտրել համապատասխան սոնոտրոդը, ռեակտորի երկրաչափությունը և հզորության կարգավորումները՝ ելքը առավելագույնի հասցնելու, մասնիկների ձևաբանությունը վերահսկելու և կանաչ քիմիայի սկզբունքներին լիարժեք համապատասխանություն ապահովելու համար։
Ag+/κ-carrageenan (ձախից) և ուլտրաձայնով մշակված Ag/κ-carrageenan (աջից)։ Ուլտրաձայնային մշակումն իրականացվել է UP400S սարքով՝ 90min տևողությամբ։
[Elsupikhe et al. 2015]
Արծաթի նանոմասնիկների կանաչ ուլտրաձայնային սինթեզ
Elsupikhe և համահեղինակները (2015) մշակել են արծաթի նանոմասնիկների (AgNPs) ստացման՝ ուլտրաձայնով օժանդակվող կանաչ սինթեզի եղանակ։ Հայտնի է, որ սոնոքիմիան նպաստում է բազմաթիվ թաց քիմիական ռեակցիաների ընթացքին։ Ուլտրաձայնային մշակումը հնարավորություն է տալիս սինթեզել AgNPs նանոմասնիկներ՝ որպես բնական կայունացուցիչ օգտագործելով κ-կարագինան։ Ռեակցիան ընթանում է սենյակային ջերմաստիճանում և առաջացնում է նիստակենտրոն խորանարդային (fcc) բյուրեղային կառուցվածքով արծաթի նանոմասնիկներ՝ առանց որևէ խառնուրդների։ κ-կարագինանի կոնցենտրացիան կարող է ազդել AgNPs նանոմասնիկների չափային բաշխման վրա։
Ուլտրաձայնային մշակման պայմաններում κ-կարագինանով պատված՝ Ag-NPs նանոմասնիկների լիցքավորված խմբերի միջև փոխազդեցության սխեմա։ [Elsupikhe et al. 2015]
Ընթացակարգ. արծաթի նանոմասնիկների կայուն սինթեզ
- Ag-NPs նանոմասնիկները սինթեզվել են՝ վերականգնելով AgNO3 միացությունը κ-կարագինանի առկայությամբ ուլտրաձայնային մշակման միջոցով։ Տարբեր նմուշներ ստանալու համար պատրաստվել են հինգ կախույթներ՝ ավելացնելով 10 mL ծավալով 0,1 M կոնցենտրացիայով AgNO3 լուծույթ 40-mL κ-կարագինանին։ Օգտագործված κ-կարագինանի լուծույթների կոնցենտրացիաները համապատասխանաբար եղել են 0,1, 0,15, 0,20, 0,25 և 0,3 wt%։
- Լուծույթները խառնել են 1h՝ ստանալու համար AgNO3/κ-կարագինան համակարգը։
- Այնուհետև նմուշները ենթարկվել են ինտենսիվ ուլտրաձայնային ճառագայթման։ Ուլտրաձայնային UP400S սարքի (400W, 24kHz) ամպլիտուդը սահմանվել է 50%։ Ուլտրաձայնային մշակումն իրականացվել է սենյակային ջերմաստիճանում՝ 90min տևողությամբ։ Հեղուկների ուլտրաձայնային մշակման UP400S սարքի սոնոտրոդն ընկղմվել է անմիջապես ռեակցիոն լուծույթի մեջ։
- Ուլտրաձայնային մշակումից հետո կախույթները ցենտրիֆուգվել են 15min և չորս անգամ լվացվել կրկնակի թորած ջրով՝ արծաթի իոնների մնացորդները հեռացնելու համար։ Նստեցված նանոմասնիկները չորացվել են 40°C ջերմաստիճանում՝ վակուումի պայմաններում, ամբողջ գիշեր՝ Ag-NPs նանոմասնիկներ ստանալու համար։
Հավասարում
- nH₂O —ուլտրաձայնային մշակում—> +H + OH
- OH + RH —> R + H₂O
- AgNo₃—հիդրոլիզ—> Ag+ + NO₃—
- R + Ag+ —> Ag° + R’ + H+
- Ag+ + H —վերականգնումներ—> Ag°
- Ag+ + H2O —> Ag° + OH + H+
Վերլուծություն և արդյունքներ. ուլտրաձայնով սինթեզված արծաթի նանոմասնիկներ
Արդյունքները գնահատելու համար նմուշները վերլուծվել են ուլտրամանուշակագույն և տեսանելի տիրույթի սպեկտրոսկոպիական վերլուծության, ռենտգենյան դիֆրակցիայի, FT-IR քիմիական վերլուծության, TEM և SEM պատկերների միջոցով։
Ag-NPs նանոմասնիկների քանակն աճել է κ-կարագինանի կոնցենտրացիաների բարձրացմանը զուգընթաց։ Ag/κ-carrageenan համակարգի առաջացումը որոշվել է ուլտրամանուշակագույն և տեսանելի տիրույթի սպեկտրոսկոպիայի միջոցով, որի դեպքում մակերևութային պլազմոնային կլանման առավելագույնը դիտվել է 402-ից 420nm տիրույթում։ Ռենտգենյան դիֆրակցիոն (XRD) վերլուծությունը ցույց է տվել, որ Ag-NPs նանոմասնիկներն ունեն նիստակենտրոն խորանարդային կառուցվածք։ Ֆուրիեի ձևափոխմամբ ինֆրակարմիր (FT-IR) սպեկտրը վկայել է κ-կարագինանում Ag-NPs նանոմասնիկների առկայության մասին։ κ-կարագինանի ամենաբարձր կոնցենտրացիայի դեպքում ստացված տրանսմիսիոն էլեկտրոնային մանրադիտակային (TEM) պատկերը ցույց է տվել Ag-NPs նանոմասնիկների բաշխումը՝ մոտ 4,21nm միջին մասնիկաչափով։ Սկանավորող էլեկտրոնային մանրադիտակային (SEM) պատկերները ցույց են տվել Ag-NPs նանոմասնիկների գնդաձև տեսքը։ SEM վերլուծությունը ցույց է տալիս, որ κ-կարագինանի կոնցենտրացիայի բարձրացմանը զուգընթաց Ag/κ-carrageenan համակարգի մակերևույթում տեղի են ունեցել փոփոխություններ, որոնց արդյունքում ստացվել են փոքր չափերով գնդաձև Ag-NPs նանոմասնիկներ։
Սոնոքիմիական եղանակով սինթեզված Ag/κ-carrageenan համակարգի TEM պատկերները և համապատասխան չափային բաշխումները՝ κ-կարագինանի տարբեր կոնցենտրացիաների դեպքում։ [0,1%, 0,2% և 0,3%՝ համապատասխանաբար (a, b, c)]։
UP400S – Ag նանոմասնիկների սոնոքիմիական սինթեզի համար օգտագործված ուլտրաձայնային սարքը
Գրականություն/Հղումներ
- Elsupikhe, Randa Fawzi; Shameli, Kamyar; Ahmad, Mansor B; Ibrahim, Nor Azowa; Zainudin, Norhazlin (2015): Green sonochemical synthesis of silver nanoparticles at varying concentrations of κ-carrageenan. Nanoscale Research Letters 10. 2015.
- Reza Kazemi Oskuee, Azhar Banikamali, Bibi Sedigheh Fazly Bazzaz, Hasan Ali Hosseini, and Majid Darroudi (2016): Honey-Based and Ultrasonic-Assisted Synthesis of Silver Nanoparticles and Their Antibacterial Activities. Journal of Nanoscience and Nanotechnology Vol. 16, 7989–7993, 2016.
- Bose, Rahul & Roychoudhury, Piya & Pal, Ruma (2021): In-situ green synthesis of fluorescent silica–silver conjugate nanodendrites using nanoporous frustules of diatoms: an unprecedented approach. Bioprocess and Biosystems Engineering 44, 2021
- I. De La Calle, N. Cabaleiro, M. Costas, F. Pena, S. Gil, I. Lavilla, C. Bendicho (2011): Ultrasound-assisted extraction of gold and silver from environmental samples using different extractants followed by electrothermal-atomic absorption spectrometry. Microchemical Journal, Volume 97, Issue 2, 2011. 93-100.
Հաճախ տրվող հարցեր․ արծաթի նանոմասնիկների կանաչ սոնոքիմիական սինթեզ
Ինչպե՞ս է ուլտրաձայնը բարելավում արծաթի նանոմասնիկների կանաչ սինթեզը։
Ուլտրաձայնն առաջացնում է ակուստիկ կավիտացիա՝ ստեղծելով տեղային բարձր ջերմաստիճանով գոտիներ, որոնք էկոլոգիապես անվնաս ազդանյութերի օգտագործմամբ արագ վերականգնում են արծաթի իոնները։ Այս սոնոքիմիական գործընթացն արագացնում է ռեակցիայի կինետիկան, նպաստում է հավասարաչափ միջուկագոյացմանը և թույլ է տալիս ճշգրիտ վերահսկել մասնիկների չափն ու ձևը՝ այս ամենն առանց ագրեսիվ քիմիական նյութերի կամ մեծ ջերմային էներգիայի։
Որո՞նք են AgNPs ստանալու կանաչ սոնոքիմիական ուղու հիմնական առավելությունները։
Կանաչ սոնոքիմիական սինթեզը համատեղում է ուլտրաձայնը կենսահամատեղելի վերականգնիչ և մակերևույթը պատող ազդանյութերի հետ (օրինակ՝ բուսական մզվածքներ, շաքարներ կամ պոլիմերներ)՝ ստանալու ոչ թունավոր, շրջակա միջավայրի համար անվնաս արծաթի նանոմասնիկներ։ Մեթոդը նվազեցնում է էներգիայի սպառումը, կրճատում է սինթեզի տևողությունը, վերացնում է վտանգավոր կողմնակի արգասիքները և ապահովում է բարձր կայունությամբ նանոմասնիկներ՝ չափերի կայուն բաշխմամբ։
Կարո՞ղ է ուլտրաձայնը վերահսկել արծաթի նանոմասնիկների չափն ու մորֆոլոգիան։
Այո։ Կարգավորելով ուլտրաձայնի ամպլիտուդը, հաճախականությունը, հզորության խտությունը և ուլտրաձայնային մշակման տևողությունը՝ արտադրողները կարող են ճշգրիտ կարգաբերել միջուկագոյացման և աճի արագությունները։ Սա հնարավորություն է տալիս վերարտադրելիորեն արտադրել 5–100 nm չափերով AgNPs՝ տարբեր ձևերով (գնդեր, խորանարդներ, եռանկյուն թիթեղներ), որոնք հարմարեցված են կենսաբժշկական, էլեկտրոնային կամ արդյունաբերական կոնկրետ կիրառություններին։
Հնարավո՞ր է մեծացնել ուլտրաձայնային կանաչ սինթեզի մասշտաբը՝ AgNPs արդյունաբերական արտադրության համար։
Անշուշտ։ Արդյունաբերական ուլտրաձայնային պրոցեսորները թույլ են տալիս կիրառել անընդհատ հոսքով ռեակտորներ, որոնք թույլ են տալիս սահուն մեծացնել արտադրության մասշտաբը՝ լաբորատոր խմբաքանակներից անցնելով լիամասշտաբ արտադրության։ Հոսքագծում ուլտրաձայնային մշակումն ապահովում է կավիտացիայի հավասարաչափ բաշխում, գործընթացի մշտադիտարկում իրական ժամանակում և խմբաքանակների միջև միատեսակություն՝ այն դարձնելով իդեալական AgNPs մեծածավալ, էկոլոգիապես բարենպաստ արտադրության համար։
Ո՞ր կանաչ վերականգնիչ ազդանյութերն են լավագույնս գործում արծաթի նանոմասնիկների ուլտրաձայնային սինթեզում։
Արդյունավետ էկոլոգիապես բարենպաստ ազդանյութերից են բուսական մզվածքները (օրինակ՝ հալվե, կանաչ թեյ, ցիտրուսների կեղևներ), ածխաջրերը, ամինաթթուները, սպիտակուցները և կենսաքայքայվող պոլիմերները։ Ուլտրաձայնը բարձրացնում է դրանց վերականգնող և կայունացնող ազդեցության արդյունավետությունը՝ թույլ տալով ամբողջությամբ փոխարինել սինթետիկ քիմիական նյութերը՝ միաժամանակ պահպանելով բարձր ելքը, կոլոիդային կայունությունը և գործառնական արդյունավետությունը։
Ինչպե՞ս է սոնոքիմիական սինթեզը համեմատվում AgNPs ստանալու ավանդական քիմիական մեթոդների հետ։
Ավանդական քիմիական ուղիները հաճախ հիմնվում են թունավոր վերականգնիչների (օրինակ՝ նատրիումի բորոհիդրիդ), pH-ի ծայրահեղ արժեքների վրա և առաջացնում են վտանգավոր թափոններ։ Կանաչ սոնոքիմիական սինթեզն օգտագործում է անվտանգ, վերականգնվող նյութեր, իրականացվում է շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանում կամ մեղմ ջերմաստիճանային պայմաններում, զգալիորեն կրճատում է մշակման տևողությունը և տալիս է ավելի մաքուր, ավելի կենսահամատեղելի նանոմասնիկներ՝ ավելի լավ դիսպերսմամբ և ավելի երկար պահպանման ժամկետով։
Արդյունաբերության ո՞ր ճյուղերն են օգուտ քաղում կանաչ ուլտրաձայնային եղանակով ստացված արծաթի նանոմասնիկներից։
Կանաչ սոնոքիմիական մեթոդներով սինթեզված AgNPs լայնորեն կիրառվում են հակամանրէային ծածկույթներում, բժշկական սարքերում, վերքերի խնամքում, ջրի զտման մեջ, ճկուն էլեկտրոնիկայում և կայուն զարգացման սկզբունքներին համապատասխանող փաթեթավորման մեջ։ Դրանց էկոլոգիապես բարենպաստ արտադրությունն ապահովում է բնապահպանական և անվտանգության խիստ ստանդարտներին համապատասխանություն՝ միաժամանակ ապահովելով բարձր արդյունավետություն և կարգավորող մարմինների ընդունում։
Ի՞նչ են արծաթի նանոմասնիկները։
Արծաթի նանոմասնիկները բնութագրվում են 1nm և 100nm միջակայքում գտնվող չափերով։ Թեև դրանք հաճախ նկարագրվում են որպես «արծաթե», դրանցից որոշները մեծ տոկոսով կազմված են արծաթի օքսիդից՝ մակերևույթում և ծավալում գտնվող արծաթի ատոմների թվերի մեծ հարաբերակցության պատճառով։ Արծաթի նանոմասնիկները կարող են ունենալ տարբեր կառուցվածքներ։ Առավել հաճախ սինթեզվում են գնդաձև արծաթի նանոմասնիկներ, սակայն օգտագործվում են նաև շեղանկյունաձև, ութանկյունաձև մասնիկներ և բարակ թիթեղներ։
Արծաթի նանոմասնիկները շատ հաճախ օգտագործվում են բժշկության մեջ։ Արծաթի իոնները կենսաակտիվ են և ունեն ուժեղ հակամանրէային ու մանրէասպան ազդեցություն։ Դրանց չափազանց մեծ մակերեսը հնարավորություն է տալիս բազմաթիվ լիգանդների կոորդինացիոն կապակցման։ Մյուս կարևոր բնութագրերն են հաղորդականությունը և եզակի օպտիկական հատկությունները։
Իրենց հաղորդիչ հատկությունների շնորհիվ արծաթի նանոմասնիկները հաճախ ներառվում են կոմպոզիտների, պլաստմասսաների, էպօքսիդային խեժերի և սոսինձների մեջ։ Արծաթի մասնիկները բարձրացնում են էլեկտրահաղորդականությունը, ուստի արծաթի մածուկներն ու թանաքները հաճախ օգտագործվում են էլեկտրոնիկայի արտադրության մեջ։ Քանի որ արծաթի նանոմասնիկներն ապահովում են մակերևութային պլազմոնների գոյությունը, AgNPs նանոմասնիկներն ունեն բացառիկ օպտիկական հատկություններ։ Պլազմոնային արծաթի նանոմասնիկներն օգտագործվում են սենսորներում, դետեկտորներում և վերլուծական սարքավորումներում, օրինակ՝ մակերևույթով ուժեղացված Ռամանի սպեկտրոսկոպիայի (SERS) և մակերևութային պլազմոնային դաշտով ուժեղացված ֆլուորեսցենտային սպեկտրոսկոպիայի (SPFS) համար։
Ի՞նչ է կարագինանը։
Կարագինանը էժան բնական պոլիմեր է, որը հանդիպում է կարմիր ծովային ջրիմուռների տարբեր տեսակներում։ Կարագինանները գծային սուլֆատացված պոլիսախարիդներ են, որոնք լայնորեն օգտագործվում են սննդարդյունաբերության մեջ՝ իրենց դոնդողագոյացնող, թանձրացնող և կայունացնող հատկությունների շնորհիվ։ Դրանք հիմնականում կիրառվում են կաթնամթերքում և մսամթերքում՝ սննդային սպիտակուցների հետ ամուր կապվելու շնորհիվ։ Գոյություն ունեն կարագինանի երեք հիմնական տարատեսակներ, որոնք տարբերվում են սուլֆատացման աստիճանով։ Կապպա-կարագինանն ունի մեկ սուլֆատային խումբ յուրաքանչյուր դիսախարիդի հաշվով։ Յոտա-կարագինանը (ι-carrageenen) ունի երկու սուլֆատ յուրաքանչյուր դիսախարիդի հաշվով։ Լամբդա-կարագինանը (λ-carrageenen) ունի երեք սուլֆատ յուրաքանչյուր դիսախարիդի հաշվով։
Կապպա-կարագինանը (κ-carrageenan) ունի D-գալակտոզից և 3,6-անհիդրո-D-գալակտոզից կազմված սուլֆատացված պոլիսախարիդի գծային կառուցվածք։
κ-կարագինանը լայնորեն օգտագործվում է սննդարդյունաբերության մեջ, օրինակ՝ որպես դոնդողագոյացնող նյութ և հյուսվածքի փոփոխման համար։ Այն կարող է հանդիպել որպես հավելում պաղպաղակի, սերուցքի, կաթնաշոռի, կաթնային կոկտեյլների, աղցանների համեմունքային սոուսների, շաքարով խտացրած կաթի տեսակների, սոյայի կաթի ու այլ բուսական կաթերի և սոուսների մեջ՝ արտադրանքի մածուցիկությունը բարձրացնելու համար։
Բացի այդ, κ-կարագինանը կարող է հանդիպել ոչ պարենային արտադրանքներում՝ որպես թանձրացուցիչ շամպուններում և կոսմետիկ քսուքներում, ատամի մածուկում (որպես կայունացուցիչ՝ բաղադրիչների տարանջատումը կանխելու համար), հրդեհաշիջման փրփուրում (որպես թանձրացուցիչ՝ փրփուրը կպչուն դարձնելու համար), օդը թարմացնող գելերում, կոշիկի քսուքում (մածուցիկությունը բարձրացնելու համար), կենսատեխնոլոգիայում՝ բջիջների/ֆերմենտների անշարժացման համար, դեղագործական արտադրանքներում (որպես ոչ ակտիվ օժանդակ նյութ հաբերում/դեղահատերում), ընտանի կենդանիների կերերում և այլն։
Ag/κ-carrageenan համակարգի SEM պատկերները՝ κ-կարագինանի տարբեր կոնցենտրացիաների դեպքում։ [0,1%, 0,2% և 0,3 %, համապատասխանաբար (a, b, c)]։ [Elsupikhe et al. 2015]