Նանոարծաթի սինթեզը մեղրի և ուլտրաձայնի միջոցով

Նանոարծաթն իր հակաբակտերիալ հատկությունների շնորհիվ օգտագործվում է բժշկության և նյութագիտության մեջ նյութերն ամրացնելու համար։ Ուլտրաձայնային մշակումը հնարավորություն է տալիս ջրում իրականացնել գնդաձև արծաթի նանոմասնիկների արագ, արդյունավետ, անվտանգ և շրջակա միջավայրի համար բարենպաստ սինթեզ։ Նանոմասնիկների ուլտրաձայնային սինթեզը կարելի է հեշտությամբ մասշտաբավորել փոքր արտադրությունից դեպի մեծ արտադրություն։

Կոլոիդային նանոարծաթի սինթեզը՝ ուլտրաձայնի օժանդակությամբ

Սոնոքիմիական սինթեզը, որը վերաբերում է ուլտրաձայնային ճառագայթման միջոցով խթանվող քիմիական ռեակցիաներին, նանոմասնիկների ստացման լայնորեն կիրառվող մեթոդ է։ Դրանց թվում են արծաթը, ոսկին, մագնետիտը, հիդրօքսիապատիտը, պերովսկիտը, լատեքսը և բազմաթիվ այլ նանոնյութեր։

Ուլտրաձայնային թաց քիմիական սինթեզ

Արծաթի նանոմասնիկների ստացման համար մշակվել են ուլտրաձայնի օժանդակությամբ սինթեզի բազմաթիվ ուղիներ։ Ուշագրավ մեթոդներից մեկում մեղրն օգտագործվում է և՛ որպես վերականգնիչ, և՛ որպես մակերեսը պատող նյութ։ Մեղրի բաղադրիչները, օրինակ՝ գլյուկոզն ու ֆրուկտոզը, սինթեզի ընթացքում այս դերերը կատարում են սիներգիկ կերպով։
Նանոմասնիկների սինթեզի բազմաթիվ այլ մեթոդների նման, նանոարծաթի ուլտրաձայնային սինթեզը պատկանում է թաց քիմիայի ոլորտին։ Գործընթացը սկսվում է լուծույթում արծաթի նանոմասնիկների սաղմնավորմամբ։ Ուլտրաձայնային մշակման ընթացքում արծաթի նախանյութը (օրինակ՝ արծաթի նիտրատը (AgNO₃) կամ արծաթի պերքլորատը (AgClO₄)) վերականգնվում է վերականգնիչի, օրինակ՝ մեղրի առկայությամբ՝ առաջացնելով կոլոիդային արծաթ։

Արծաթի ուլտրաձայնային սաղմնավորման և աճի մեխանիզմը

Սաղմնավորման սկզբնական փուլ․ Լուծված արծաթի իոնների կոնցենտրացիայի մեծացմանը զուգընթաց մետաղական արծաթի իոնները սկսում են կապվել՝ առաջացնելով փոքր կլաստերներ։ Այս փուլում այդ կլաստերները էներգետիկորեն անկայուն են՝ էներգիայի բացասական հաշվեկշռի պատճառով։ Նոր մակերեսներ ստեղծելու համար անհրաժեշտ էներգիան գերազանցում է լուծված արծաթի կոնցենտրացիայի նվազեցմամբ ստացվող էներգիան։

• Կրիտիկական շառավիղ․ Երբ կլաստերը հասնում է որոշակի չափի՝ կրիտիկական շառավղին, գործընթացը դառնում է էներգետիկորեն նպաստավոր՝ կայունացնելով կլաստերը։ Այս կայունությունը թույլ է տալիս կլաստերին ծառայել որպես հետագա աճի սաղմ։
• Աճի փուլ․ Աճի ընթացքում արծաթի լրացուցիչ ատոմները դիֆուզիայի միջոցով տեղաշարժվում են լուծույթում և միանում աճող նանոմասնիկի մակերեսին։ Աճը շարունակվում է այնքան ժամանակ, մինչև լուծված արծաթի կոնցենտրացիան իջնում է սաղմնավորման շեմից ցածր՝ դադարեցնելով նոր սաղմերի առաջացումը։
• Դիֆուզիա և ավարտ․ Մնացած լուծված արծաթը ներառվում է արդեն գոյություն ունեցող նանոմասնիկների մեջ՝ ավարտելով գործընթացը։

Ուլտրաձայնային մշակումն արագացնում է զանգվածափոխանակությունը, մասնավորապես՝ թրջման և դիֆուզիայի գործընթացները, ինչը հանգեցնում է ավելի արագ սաղմնավորման և վերահսկվող աճի։ Ճշգրիտ կարգավորելով ուլտրաձայնային մշակման պարամետրերը, օրինակ՝ ինտենսիվությունն ու տևողությունը, կարելի է նրբորեն կարգավորել նանոմասնիկների չափը, աճի արագությունն ու ձևը։ Այս ճշգրիտ վերահսկումն ապահովում է նանոմասնիկների միատեսակ կառուցվածքներ՝ հարմարեցված կոնկրետ կիրառություններին։

Ուլտրաձայնի օժանդակությամբ սինթեզն առանձնանում է որպես հստակ սահմանված հատկություններով նանոարծաթի ստացման արդյունավետ, դեպի ավելի մեծ մասշտաբներ ընդլայնելի և կանաչ քիմիայի վրա հիմնված մոտեցում՝ զգալի առավելություններ առաջարկելով հետազոտությունների և արդյունաբերության տարբեր կիրառությունների համար։

Սեղմեք այստեղ՝ կարագինանի օգտագործմամբ նանոարծաթի ուլտրաձայնային սինթեզի մեկ այլ կանաչ մեթոդի մասին ավելին կարդալու համար։

Ուլտրաձայնային մշակումը նպաստում է չափերի նեղ բաշխմամբ արծաթի փոքր նանոմասնիկների արագ, կանաչ սինթեզին։

Նանոարծաթի ուլտրաձայնային սինթեզի կոնկրետ ուսումնասիրություն

Oskuee և համահեղինակների (2016) «Մեղրի հիմքով և ուլտրաձայնի օժանդակությամբ արծաթի նանոմասնիկների սինթեզը և դրանց հակաբակտերիալ ակտիվությունը» վերնագրով հետազոտությունն ուսումնասիրում է արծաթի նանոմասնիկների (Ag-NPs) սինթեզի պարզ և էկոլոգիապես բարենպաստ մեթոդ, որում բնական մեղրն օգտագործվում է միաժամանակ որպես վերականգնող և կայունացնող նյութ։ Գործընթացը, որը ներառում է արծաթի նիտրատի (AgNO₃) վերականգնումը ուլտրաձայնային ճառագայթման պայմաններում, բնութագրվում է տարբեր պարամետրերով, այդ թվում՝ արծաթի իոնների կոնցենտրացիայով, մեղրի կոնցենտրացիայով և ուլտրաձայնային մշակման տևողությամբ։ Ստացված Ag-NPs նանոմասնիկների միջին չափը մոտ 11,8 nm է, և դրանք հակաբակտերիալ հատկություններ են դրսևորում այնպիսի ախտածին բակտերիաների նկատմամբ, ինչպիսիք են Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa և E. coli։
Հետազոտությունն ընդգծում է նանոմասնիկների սինթեզում մեղրի օգտագործման առավելությունները՝ շեշտելով դրա էկոլոգիապես բարենպաստ լինելը, ցածր արժեքը և ոչ թունավոր բնույթը։ Հեղինակները ցույց են տալիս, որ Ag-NPs նանոմասնիկների չափը և ելքը կարելի է վերահսկել՝ կարգավորելով ռեակցիայի այնպիսի պարամետրեր, ինչպիսիք են արծաթի կոնցենտրացիան, մեղրի պարունակությունը և ուլտրաձայնային մշակման տևողությունը։ Ցույց է տրվել, որ սինթեզված Ag-NPs նանոմասնիկներն ունեն արդյունավետ հակաբակտերիալ ակտիվություն, հատկապես E. coli և S. aureus բակտերիաների նկատմամբ, ընդ որում՝ նվազագույն արգելակող կոնցենտրացիաները (MIC) կազմում են մոտավորապես 19,46 ppm։ Այս մեթոդը հնարավորություն է ընձեռում Ag-NPs նանոմասնիկների հնարավոր կիրառման համար բժշկության ոլորտներում, այդ թվում՝ վերքերի ապաքինման և վարակների վերահսկման նպատակով։

• Նյութեր՝ արծաթի նիտրատ (AgNO₃)՝ որպես արծաթի նախանյութ, մեղր՝ որպես մակերևույթը պատող / վերականգնող նյութ, ջուր
• Ուլտրաձայնային սարք՝ Զոնդային տիպի ուլտրաձայնային սարք UP400St

Ուլտրաձայնային սինթեզի ընթացակարգ

Պարզվել է, որ կոլոիդային արծաթի նանոմասնիկների սինթեզի լավագույն պայմանները հետևյալն են՝ արծաթի նիտրատի վերականգնում ուլտրաձայնային մշակման պայմաններում՝ բնական մեղրի միջնորդությամբ։ Հակիրճ՝ մեղր (20 wt%) պարունակող արծաթի նիտրատի լուծույթի (0,3 M) 20 ml ծավալը շրջակա միջավայրի պայմաններում 30 min ենթարկվել է բարձր ինտենսիվության ուլտրաձայնային ճառագայթման։ Ուլտրաձայնային մշակումն իրականացվել է զոնդային տիպի UP400S (400W, 24 kHz) ուլտրաձայնային սարքով, որն անմիջապես ընկղմվել է ռեակցիոն լուծույթի մեջ։
Սննդային օգտագործման համար պիտանի մեղրն օգտագործվում է որպես մակերևույթը պատող / կայունացնող և վերականգնող նյութ, ինչի շնորհիվ սաղմնագոյացման ջրային լուծույթը և նստեցված նանոմասնիկները մաքուր և անվտանգ են բազմազան կիրառությունների համար։
Ուլտրաձայնային մշակման տևողության մեծացմանը զուգընթաց արծաթի նանոմասնիկները փոքրանում են, իսկ դրանց կոնցենտրացիան բարձրանում է։
Մեղրի ջրային լուծույթում ուլտրաձայնային մշակումը կարևոր գործոն է, որն ազդում է արծաթի նանոմասնիկների ձևավորման վրա։ Ուլտրաձայնային մշակման այնպիսի պարամետրեր, ինչպիսիք են ամպլիտուդը, տևողությունը և անընդհատ կամ իմպուլսային ուլտրաձայնի կիրառումը, հիմնական գործոններն են, որոնք թույլ են տալիս վերահսկել արծաթի նանոմասնիկների չափը և քանակը։

Օպտիմալ պայմաններում սինթեզված Ag-NPs նանոմասնիկների բաշխումն ըստ չափերի. արծաթի կոնցենտրացիաները՝ (0,3 M), մեղրի կոնցենտրացիաները՝ (20 wt%), և ուլտրաձայնային ճառագայթման տևողությունները՝ (30 min)
պատկերի աղբյուրը՝ ©Oskuee et al. 2016

Արծաթի նանոմասնիկների ուլտրաձայնային սինթեզի արդյունքը

Ուլտրաձայնով խթանված, մեղրի միջնորդությամբ սինթեզը UP400St ուլտրաձայնային սարքի կիրառմամբ հանգեցրել է գնդաձև արծաթի նանոմասնիկների (Ag-NPs) ստացմանը, որոնց միջին չափը մոտ 11,8nm է։ Արծաթի նանոմասնիկների ուլտրաձայնային սինթեզը պարզ և արագ, մեկ անոթում իրականացվող մեթոդ է։ Ջրի և մեղրի՝ որպես նյութերի օգտագործումը ռեակցիան դարձնում է տնտեսապես արդյունավետ և բացառիկ էկոլոգիապես բարենպաստ։
Ներկայացված ուլտրաձայնային սինթեզի մեթոդը, որում մեղրն օգտագործվում է որպես վերականգնող և մակերևույթը պատող նյութ, կարող է տարածվել այլ ազնիվ մետաղների վրա, ինչպիսիք են ոսկին, պալադիումը և պղինձը, ինչը տարբեր լրացուցիչ կիրառությունների հնարավորություններ է ընձեռում՝ բժշկությունից մինչև արդյունաբերություն։

Օպտիմալ պայմաններում սինթեզված Ag-NPs նանոմասնիկների բաշխումն ըստ չափերի. արծաթի կոնցենտրացիաները՝ (0,3 M), մեղրի կոնցենտրացիաները՝ (20 wt%), և ուլտրաձայնային ճառագայթման տևողությունը՝ (30 min)
Հետազոտությունը և պատկերը՝ ©Oskuee et al. 2016

Ազդեցություն սաղմնագոյացման և մասնիկների չափի վրա՝ ուլտրաձայնային մշակմամբ

Ուլտրաձայնը հնարավորություն է տալիս արտադրել պահանջներին համապատասխանեցված նանոմասնիկներ, օրինակ՝ արծաթի նանոմասնիկներ։ Ուլտրաձայնային մշակման երեք ընդհանուր տարբերակներ էական ազդեցություն ունեն ստացվող արդյունքի վրա՝
Սկզբնական ուլտրաձայնային մշակում՝ Գերհագեցած լուծույթի վրա ուլտրաձայնային ալիքների կարճատև ազդեցությունը կարող է նախաձեռնել սաղմնավորումն ու միջուկների առաջացումը։ Քանի որ ուլտրաձայնային մշակումը կիրառվում է միայն սկզբնական փուլում, բյուրեղների հետագա աճն ընթանում է անարգել՝ հանգեցնելով ավելի խոշոր բյուրեղների առաջացման։
Շարունակական ուլտրաձայնային մշակում. Գերհագեցած լուծույթի շարունակական ճառագայթումը հանգեցնում է մանր բյուրեղների առաջացման, քանի որ անընդհատ ուլտրաձայնային մշակումը ստեղծում է բազմաթիվ միջուկներ՝ հանգեցնելով մեծ թվով մանր բյուրեղների աճի։
Իմպուլսային ուլտրաձայնային մշակում. Իմպուլսային ուլտրաձայնը նշանակում է ուլտրաձայնի կիրառում որոշակի ընդմիջումներով։ Ուլտրաձայնային էներգիայի ճշգրիտ վերահսկվող ներմուծումը թույլ է տալիս ազդել բյուրեղների աճի վրա՝ պահանջներին համապատասխան չափի բյուրեղներ ստանալու համար։

Բարձր արդյունավետության ուլտրաձայնային սարքեր՝ նանոմասնիկների սինթեզի համար

Hielscher Ultrasonics ընկերությունն առաջարկում է բարձր հզորության, հուսալի ուլտրաձայնային պրոցեսորներ՝ նախատեսված առաջադեմ սոնոքիմիական կիրառությունների, այդ թվում՝ սոնոսինթեզի և սոնոկատալիզի համար։ Ուլտրաձայնային խառնումն ու դիսպերսումը զգալիորեն ուժեղացնում են զանգվածափոխանակությունը, նպաստում ատոմային կլաստերների թրջմանը և հեշտացնում դրանց հետագա միջուկավորումը՝ հանգեցնելով նանոմասնիկների արդյունավետ նստեցման։ Ուլտրաձայնային սինթեզը ճանաչված է որպես բարձրորակ նանոնյութերի ստացման պարզ, տնտեսապես արդյունավետ, կենսահամատեղելի, վերարտադրելի, արագ և անվտանգ մեթոդ։ (Կարդացեք ավելին պերովսկիտի սոնոքիմիական սինթեզի և ZnO նանոկառուցվածքների մասին!)

Hielscher ուլտրաձայնային սարքերը նախագծված են ճշգրիտ վերահսկման համար՝ ապահովելով նանոնյութերի միջուկավորման և աճի օպտիմալ պայմաններ։ Այս թվային սարքերն ունեն խելացի ծրագրային ապահովում, գունավոր սենսորային էկրան և ինտուիտիվ ընտրացանկ՝ անվտանգ ու օգտագործման համար հարմար աշխատանք ապահովելու նպատակով։ Բացի այդ, դրանք ունեն ներկառուցված SD քարտի վրա տվյալների ավտոմատ գրանցման հնարավորություն՝ ապահովելով գործընթացի անխափան փաստագրումը։

Համակարգերի համապարփակ տեսականու շնորհիվ՝ լաբորատոր օգտագործման համար նախատեսված կոմպակտ 50 վատտ հզորությամբ ձեռքի ուլտրաձայնային սարքերից մինչև ամուր 16 000 վատտ հզորությամբ արդյունաբերական համակարգեր, Hielscher ընկերությունն ապահովում է իդեալական ուլտրաձայնային լուծում յուրաքանչյուր կիրառության համար։ Երկարակեցության համար նախագծված Hielscher ուլտրաձայնային սարքավորումները կառուցված են մեծ ծանրաբեռնվածության պայմաններում շարունակաբար աշխատելու համար՝ նույնիսկ պահանջկոտ միջավայրերում, ապահովելով հուսալի աշխատանք 24/7։
Ստորև բերված աղյուսակը պատկերացում է տալիս մեր ուլտրաձայնային սարքերի մշակման մոտավոր արտադրողականության մասին.

Նանոմասնիկների սինթեզի ավանդական մեթոդների և կանաչ սինթեզի մեթոդների համեմատություն։