Via sonica verde alle nanoparticelle d'argento
Le nanoparticelle d'argento (AgNPs) sono nanomateriali spesso utilizzati per le loro proprietà antimicrobiche, ottiche e di elevata conducibilità elettrica. La via sicochimica che utilizza la kappa-carragenina è un metodo di sintesi semplice, conveniente e rispettoso dell'ambiente per la preparazione di nanoparticelle d'argento. La κ-carragenina è utilizzata come stabilizzatore naturale ecologico, mentre gli ultrasuoni agiscono come agente riducente ecologico.
La chimica verde richiede un controllo preciso dei parametri. I nostri ingegneri specializzati in nanomateriali vi aiuteranno a scegliere il sonotrodo, la geometria del reattore e le impostazioni di potenza più adatte per massimizzare la resa, controllare la morfologia delle particelle e garantire il pieno rispetto dei principi della chimica verde.
Ag+/κ-carragenina (a sinistra) e Ag/κ-carragenina trattata con ultrasuoni (a destra). Il trattamento con ultrasuoni è stato effettuato con l'UP400S per 90 minuti.
[Elsupikhe et al. 2015]
Sintesi ecologica a ultrasuoni di nanoparticelle d'argento
Elsupikhe et al. (2015) hanno sviluppato una via di sintesi verde assistita da ultrasuoni per la preparazione di nanoparticelle di argento (AgNPs). La sonicazione è ben nota per promuovere molte reazioni chimiche umide. La sonicazione consente di sintetizzare AgNPs con κ-carragenina come stabilizzatore naturale. La reazione avviene a temperatura ambiente e produce nanoparticelle di argento con struttura cristallina fcc senza impurità. La distribuzione granulometrica delle AgNPs può essere influenzata dalla concentrazione di κ-carragenina.
Schema dell'interazione tra i gruppi carichi delle Ag-NPs ricoperte di κ-carragenina sotto sonicazione. [Elsupikhe et al. 2015].
Procedura: sintesi sostenibile di nanoparticelle d'argento
- Le Ag-NPs sono state sintetizzate riducendo AgNO3 mediante ultrasuoni in presenza di κ-carragenina. Per ottenere diversi campioni, sono state preparate cinque sospensioni, aggiungendo 10 mL di 0,1 M AgNO3 a 40 ml di κ-carragenina. Le soluzioni di κ-carragenina utilizzate erano rispettivamente 0,1, 0,15, 0,20, 0,25 e 0,3 wt%.
- Le soluzioni sono state agitate per 1h per ottenere AgNO3/κ-carrageenan.
- Poi, i campioni sono stati esposti a un'intensa irradiazione di ultrasuoni: L'ampiezza del dispositivo a ultrasuoni UP400S (400W, 24kHz) è stato impostato al 50%. La sonicazione è stata applicata per 90 minuti a temperatura ambiente. Il sonotrodo dei processori a ultrasuoni per liquidi UP400S è stato immerso direttamente nella soluzione di reazione.
- Dopo la sonicazione, le sospensioni sono state centrifugate per 15 minuti e lavate con acqua bidistillata per quattro volte per rimuovere i residui di ioni argento. Le nanoparticelle precipitate sono state essiccate a 40°C sotto vuoto per una notte per ottenere le Ag-NPs.
Equazione
- senza acqua —Sonicazione–> +H + OH
- OH + RH –> R + H₂O
- No₃–idrolisi–> Ag⁺ + NO₃⁻–
- R + Ag+ —> Ag° + R’ + H+
- Ag+ + H –riduzioni–> Ag°
- Ag+ + H2O —> Ag° + OH + H+
Analisi e risultati: nanoparticelle d’argento sintetizzate mediante ultrasuoni
Per valutare i risultati, i campioni sono stati analizzati mediante analisi spettroscopica UV-visibile, diffrazione di raggi X, analisi chimica FT-IR, immagini TEM e SEM.
Il numero di nanoparticelle d’argento (Ag-NP) è aumentato all’aumentare delle concentrazioni di κ-carragenina. La formazione di Ag/κ-carragenina è stata determinata mediante spettroscopia UV-visibile, dove il massimo di assorbimento del plasmon di superficie è stato osservato tra 402 e 420 nm. L’analisi mediante diffrazione dei raggi X (XRD) ha mostrato che le nanoparticelle d’argento (Ag-NPs) presentano una struttura cubica a facce centrate. Lo spettro infrarosso con trasformata di Fourier (FT-IR) ha indicato la presenza di nanoparticelle d’argento nel κ-carragenina. L’immagine al microscopio elettronico a trasmissione (TEM) relativa alla massima concentrazione di κ-carragenina ha mostrato la distribuzione delle nanoparticelle d’argento con una dimensione media delle particelle vicina a 4,21 nm. Le immagini al microscopio elettronico a scansione (SEM) hanno illustrato la forma sferica delle nanoparticelle d’argento. L’analisi SEM mostra che, all’aumentare della concentrazione di κ-carragenina, si sono verificati cambiamenti nella superficie del sistema Ag/κ-carragenina, consentendo di ottenere nanoparticelle d’argento di piccole dimensioni e di forma sferica.
Immagini TEM e corrispondenti distribuzioni dimensionali per Ag/κ-carragenano sintetizzato per via sonochemica a diverse concentrazioni di κ-carragenano. [0,1%, 0,2% e 0,3%, rispettivamente (a, b, c)].
UP400S – il dispositivo a ultrasuoni utilizzato per la sintesi sonochemica delle nanoparticelle di Ag
Letteratura/riferimenti
- 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.
Domande frequenti: Sintesi sonochimica ecologica di nanoparticelle d'argento
In che modo gli ultrasuoni migliorano la sintesi “verde” delle nanoparticelle d’argento?
Gli ultrasuoni provocano la cavitazione acustica, creando zone di alta concentrazione localizzate che riducono rapidamente gli ioni d'argento utilizzando agenti ecocompatibili. Questo processo sonochimico accelera la cinetica di reazione, favorisce una nucleazione uniforme e consente un controllo preciso delle dimensioni e della forma delle particelle, il tutto senza ricorrere a sostanze chimiche aggressive o ad alta energia termica.
Quali sono i principali vantaggi di un processo sonochimico ecocompatibile per la produzione di nanoparticelle d'argento (AgNPs)?
La sintesi sonochimica ecologica combina gli ultrasuoni con agenti riducenti e di copertura biocompatibili (come estratti vegetali, zuccheri o polimeri) per produrre nanoparticelle d'argento non tossiche e rispettose dell'ambiente. Il metodo riduce il consumo energetico, accorcia i tempi di sintesi, elimina i sottoprodotti pericolosi e produce nanoparticelle altamente stabili con una distribuzione granulometrica uniforme.
Gli ultrasuoni possono controllare le dimensioni e la morfologia delle nanoparticelle d'argento?
Sì. Regolando l’ampiezza, la frequenza, la densità di potenza e il tempo di sonicazione degli ultrasuoni, i produttori possono ottimizzare con precisione i tassi di nucleazione e crescita. Ciò consente la produzione riproducibile di nanoparticelle d’argento (AgNP) con dimensioni comprese tra 5 e 100 nm in varie forme (sfere, cubi, piastre triangolari), su misura per specifiche applicazioni biomediche, elettroniche o industriali.
La sintesi ecologica mediante ultrasuoni è scalabile ai fini della produzione industriale di AgNP?
Assolutamente sì. I processori a ultrasuoni industriali supportano reattori a flusso continuo che consentono una scalabilità senza soluzione di continuità dai lotti di laboratorio alla produzione su larga scala. La sonicazione in linea garantisce una distribuzione uniforme della cavitazione, il monitoraggio in tempo reale del processo e l’uniformità tra i lotti, rendendola ideale per la produzione di AgNP su larga scala ed ecocompatibile.
Quali agenti riducenti ecologici danno i migliori risultati nella sintesi ultrasonica di nanoparticelle d'argento?
Tra gli agenti ecocompatibili efficaci figurano gli estratti botanici (ad esempio, aloe, tè verde, bucce di agrumi), i carboidrati, gli aminoacidi, le proteine e i polimeri biodegradabili. Gli ultrasuoni ne potenziano l'efficacia riducente e stabilizzante, consentendo la completa sostituzione delle sostanze chimiche sintetiche pur mantenendo un'elevata resa, la stabilità colloidale e le prestazioni funzionali.
In che modo la sintesi sonochimica si confronta con i metodi chimici tradizionali per la produzione di AgNP?
I processi chimici convenzionali ricorrono spesso a riducenti tossici (ad esempio, il boroidruro di sodio) e a valori di pH estremi, generando inoltre rifiuti pericolosi. La sintesi sonochimica ecologica utilizza materiali sicuri e rinnovabili, opera a temperatura ambiente o a temperature moderate, riduce significativamente i tempi di lavorazione e produce nanoparticelle più pulite e biocompatibili, con una dispersione e una durata di conservazione superiori.
Quali settori traggono vantaggio dalle nanoparticelle d'argento ecologiche prodotte con tecnologia a ultrasuoni?
Le nanoparticelle d'argento (AgNP) sintetizzate tramite metodi sonoochimici ecocompatibili trovano ampio impiego nei rivestimenti antimicrobici, nei dispositivi medici, nella cura delle ferite, nella filtrazione dell'acqua, nell'elettronica flessibile e negli imballaggi sostenibili. La loro produzione ecocompatibile garantisce il rispetto di rigorosi standard ambientali e di sicurezza, assicurando al contempo prestazioni elevate e conformità normativa.
Cosa sono le nanoparticelle d'argento?
Le nanoparticelle d'argento sono caratterizzate da una dimensione compresa tra 1nm e 100nm. Sebbene siano spesso descritte come "argento’ Alcune sono composte da una grande percentuale di ossido d'argento, grazie all'elevato rapporto tra atomi di argento in superficie e in massa. Le nanoparticelle d'argento possono avere strutture diverse. La maggior parte delle volte vengono sintetizzate nanoparticelle d'argento sferiche, ma si utilizzano anche fogli diamantati, ottagonali e sottili.
Le nanoparticelle d'argento sono molto utilizzate nelle applicazioni mediche. Gli ioni d'argento sono bioattivi e hanno forti effetti antimicrobici e germicidi. La loro superficie estremamente ampia consente la coordinazione di numerosi ligandi. Altre caratteristiche importanti sono la conduttività e le proprietà ottiche uniche.
Per le loro caratteristiche conduttive, le nanoparticelle d'argento sono spesso incorporate in materiali compositi, plastici, epossidici e adesivi. Le particelle d'argento aumentano la conduttività elettrica; pertanto le paste e gli inchiostri d'argento sono spesso utilizzati nella produzione di elettronica. Poiché le nanoparticelle d'argento supportano i plasmoni di superficie, le AgNPs hanno eccezionali proprietà ottiche. Le nanoparticelle d'argento plasmoniche sono utilizzate per sensori, rivelatori e apparecchiature analitiche come la spettroscopia Raman potenziata dalla superficie (SERS) e la spettroscopia di fluorescenza potenziata dal campo dei plasmon di superficie (SPFS).
Che cos’è la carragenina?
La carragenina è un polimero naturale a basso costo, presente in varie specie di alghe rosse. Le carragenine sono polisaccaridi solfati lineari ampiamente utilizzati nell'industria alimentare per le loro proprietà gelificanti, addensanti e stabilizzanti. La loro applicazione principale è nei prodotti lattiero-caseari e a base di carne, grazie al loro forte legame con le proteine alimentari. Esistono tre varietà principali di carragenina, che si differenziano per il grado di solfatazione. La kappa-carragenina ha un gruppo solfato per ogni disaccaride. La carragenina Iota (ι-carragenina) ha due solfati per disaccaride. La carragenina lambda (λ-carragenina) ha tre solfati per disaccaride.
La carragenina kappa (κ-carragenina) ha una struttura lineare di polisaccaride solfatato di D-galattosio e 3,6-anidro-D-galattosio.
La κ-carragenina è ampiamente utilizzata nell'industria alimentare, ad esempio come agente gelificante e per modificare la consistenza. Si trova come additivo in gelati, panna, ricotta, frullati, condimenti per insalate, latti condensati zuccherati, latte di soia, ecc. & altri latti vegetali e salse per aumentare la viscosità del prodotto.
Inoltre, la κ-carragenina si trova in prodotti non alimentari come addensante in shampoo e creme cosmetiche, in dentifrici (come stabilizzante per evitare la separazione dei componenti), schiume antincendio (come addensante per rendere la schiuma appiccicosa), gel deodoranti per ambienti, lucidi per scarpe (per aumentare la viscosità), nella biotecnologia per immobilizzare cellule/enzimi, nei prodotti farmaceutici (come eccipiente inattivo in pillole/pastiglie), negli alimenti per animali domestici ecc.
Immagini SEM per Ag/κ-carragenina a diverse concentrazioni di κ-carragenina. [0,1%, 0,2% e 0,3%, rispettivamente (a, b, c)]. [Elsupikhe et al. 2015].