Via sonochimica verde per le nanoparticelle d’argento
Le nanoparticelle d’argento (AgNPs) sono nanomateriali frequentemente utilizzati grazie alle loro proprietà antimicrobiche, alle proprietà ottiche e all’elevata conducibilità elettrica. La via sonochimica che utilizza la carragenina kappa è un metodo di sintesi semplice, pratico e rispettoso dell’ambiente per la preparazione di nanoparticelle d’argento. La κ-carragenina viene utilizzata come stabilizzante naturale ecocompatibile, mentre gli ultrasuoni di potenza agiscono come agente riducente verde.
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 adatti per massimizzare la resa, controllare la morfologia delle particelle e garantire la piena conformità ai principi della chimica verde.
Ag+/κ-carragenina (a sinistra) e Ag/κ-carragenina sottoposta a sonicazione (a destra). La sonicazione è stata eseguita con UP400S per 90min.
[Elsupikhe et al. 2015]
Sintesi verde di nanoparticelle d’argento mediante ultrasuoni
Elsupikhe et al. (2015) hanno sviluppato una via di sintesi verde assistita da ultrasuoni per la preparazione di nanoparticelle d’argento (AgNPs). È noto che la sonochimica favorisce numerose reazioni chimiche in fase liquida. La sonicazione consente di sintetizzare AgNPs utilizzando la κ-carragenina come stabilizzante naturale. La reazione avviene a temperatura ambiente e produce nanoparticelle d’argento con struttura cristallina cubica a facce centrate (fcc), senza impurità. La distribuzione dimensionale delle AgNPs può essere influenzata dalla concentrazione di κ-carragenina.
Schema dell’interazione tra i gruppi carichi delle Ag-NPs rivestite con κ-carragenina durante la sonicazione. [Elsupikhe et al. 2015]
Procedura: sintesi sostenibile di nanoparticelle d’argento
- Le Ag-NPs sono state sintetizzate mediante riduzione di AgNO3 utilizzando la sonicazione in presenza di κ-carragenina. Per ottenere campioni diversi, sono state preparate cinque sospensioni aggiungendo 10 mL di una soluzione 0,1 M di AgNO3 a 40-mL di κ-carragenina. Le soluzioni di κ-carragenina utilizzate erano rispettivamente allo 0,1, 0,15, 0,20, 0,25 e 0,3 wt%.
- Le soluzioni sono state agitate per 1h per ottenere AgNO3/κ-carragenina.
- Successivamente, i campioni sono stati esposti a un’intensa irradiazione ultrasonica: l’ampiezza del dispositivo a ultrasuoni UP400S (400W, 24kHz) è stata impostata al 50%. La sonicazione è stata applicata per 90min a temperatura ambiente. Il sonotrodo del processore a ultrasuoni per liquidi UP400S è stato immerso direttamente nella soluzione di reazione.
- Dopo la sonicazione, le sospensioni sono state centrifugate per 15min e lavate quattro volte con acqua bidistillata per rimuovere i residui di ioni d’argento. Le nanoparticelle precipitate sono state essiccate a 40°C sotto vuoto per tutta la notte per ottenere le Ag-NPs.
Equazione
- nH₂O —sonicazione–> +H + OH
- OH + RH –> R + H₂O
- AgNo₃–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 a raggi X, analisi chimica FT-IR e immagini TEM e SEM.
Il numero di Ag-NPs è aumentato all’aumentare delle concentrazioni di κ-carragenina. La formazione di Ag/κ-carragenina è stata determinata mediante spettroscopia UV-visibile, nella quale il massimo di assorbimento plasmonico superficiale è stato osservato tra 402 e 420nm. L’analisi mediante diffrazione a raggi X (XRD) ha mostrato che le Ag-NPs hanno una struttura cubica a facce centrate. Lo spettro infrarosso a trasformata di Fourier (FT-IR) ha indicato la presenza di Ag-NPs nella κ-carragenina. L’immagine di microscopia elettronica a trasmissione (TEM) relativa alla concentrazione più elevata di κ-carragenina ha mostrato la distribuzione delle Ag-NPs con una dimensione media delle particelle prossima a 4,21nm. Le immagini di microscopia elettronica a scansione (SEM) hanno illustrato la forma sferica delle Ag-NPs. L’analisi SEM mostra che, all’aumentare della concentrazione di κ-carragenina, si sono verificati cambiamenti nella superficie di Ag/κ-carragenina, con conseguente ottenimento di Ag-NPs di piccole dimensioni e di forma sferica.
Immagini TEM e corrispondenti distribuzioni dimensionali di Ag/κ-carragenina sintetizzata per via sonochimica a diverse concentrazioni di κ-carragenina. [0,1%, 0,2% e 0,3%, rispettivamente (a, b, c)].
UP400S – il dispositivo a ultrasuoni utilizzato per la sintesi sonochimica di nanoparticelle di Ag
Bibliografia/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 verde di nanoparticelle d’argento
In che modo gli ultrasuoni migliorano la sintesi verde delle nanoparticelle d’argento?
Gli ultrasuoni inducono la cavitazione acustica, creando zone localizzate ad alta temperatura che riducono rapidamente gli ioni d’argento mediante 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 sostanze chimiche aggressive o un elevato apporto di energia termica.
Quali sono i principali vantaggi di una via sonochimica verde per le AgNPs?
La sintesi sonochimica verde combina gli ultrasuoni con agenti riducenti e di rivestimento biocompatibili (come estratti vegetali, zuccheri o polimeri) per produrre nanoparticelle d’argento non tossiche e innocue per l’ambiente. Il metodo riduce il consumo energetico, abbrevia i tempi di sintesi, elimina i sottoprodotti pericolosi e produce nanoparticelle altamente stabili con una distribuzione dimensionale costante.
Gli ultrasuoni possono controllare le dimensioni e la morfologia delle nanoparticelle d’argento?
Sì. Regolando l’ampiezza degli ultrasuoni, la frequenza, la densità di potenza e il tempo di sonicazione, i produttori possono regolare con precisione le velocità di nucleazione e crescita. Ciò consente una produzione riproducibile di AgNPs di 5–100 nm in varie forme (sfere, cubi, piastrine triangolari), adattate a specifiche applicazioni biomediche, elettroniche o industriali.
La sintesi verde mediante ultrasuoni è scalabile per la produzione industriale di AgNPs?
Assolutamente. I processori industriali a ultrasuoni supportano reattori a flusso continuo che consentono di passare senza difficoltà dai lotti di laboratorio alla produzione su scala industriale. La sonicazione in linea garantisce una distribuzione uniforme della cavitazione, il monitoraggio del processo in tempo reale e la costanza tra i lotti, rendendola ideale per la produzione ecocompatibile di AgNPs in grandi volumi.
Quali agenti riducenti verdi funzionano meglio nella sintesi di nanoparticelle d’argento mediante ultrasuoni?
Tra gli agenti ecocompatibili efficaci figurano estratti vegetali (ad esempio aloe, tè verde e scorze di agrumi), carboidrati, amminoacidi, proteine e polimeri biodegradabili. Gli ultrasuoni ne migliorano l’efficienza riducente e stabilizzante, consentendo la sostituzione completa delle sostanze chimiche sintetiche e mantenendo al contempo un’elevata resa, stabilità colloidale e prestazioni funzionali.
Come si confronta la sintesi sonochimica con i metodi chimici tradizionali per le AgNPs?
Le vie chimiche convenzionali ricorrono spesso a riducenti tossici (ad esempio il boroidruro di sodio), a valori estremi di pH e generano rifiuti pericolosi. La sintesi sonochimica verde utilizza materiali sicuri e rinnovabili, opera a temperatura ambiente o a temperature moderate, riduce significativamente i tempi di trattamento e produce nanoparticelle più pulite e più biocompatibili, con una migliore dispersione e una maggiore durata di conservazione.
Quali settori traggono vantaggio dalle nanoparticelle d’argento prodotte mediante sintesi verde a ultrasuoni?
Le AgNPs sintetizzate mediante metodi sonochimici verdi sono ampiamente utilizzate 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 la conformità a rigorosi standard ambientali e di sicurezza, offrendo al contempo elevate prestazioni e accettazione da parte delle autorità di regolamentazione.
Che cosa sono le nanoparticelle d’argento?
Le nanoparticelle d’argento sono caratterizzate da dimensioni comprese tra 1nm e 100nm. Sebbene vengano frequentemente descritte come particelle di ‘argento’, alcune sono composte da un’elevata percentuale di ossido d’argento a causa dell’elevato rapporto tra gli atomi d’argento superficiali e quelli interni. Le nanoparticelle d’argento possono presentare strutture diverse. Più comunemente vengono sintetizzate nanoparticelle d’argento sferiche, ma vengono utilizzate anche forme a diamante, ottagonali e lamine sottili.
Le nanoparticelle d’argento sono ampiamente 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 conducibilità e le proprietà ottiche uniche.
Grazie alle loro proprietà conduttive, le nanoparticelle d’argento vengono spesso incorporate in compositi, materie plastiche, resine epossidiche e adesivi. Le particelle d’argento aumentano la conducibilità elettrica; pertanto, paste e inchiostri d’argento vengono frequentemente utilizzati nella produzione di componenti elettronici. Poiché le nanoparticelle d’argento supportano plasmoni superficiali, le AgNPs possiedono proprietà ottiche eccezionali. Le nanoparticelle d’argento plasmoniche vengono utilizzate per sensori, rivelatori e apparecchiature analitiche, come quelle per la spettroscopia Raman amplificata dalla superficie (SERS) e la spettroscopia di fluorescenza amplificata dal campo dei plasmoni superficiali (SPFS).
Che cos’è la carragenina?
La carragenina è un polimero naturale economico presente in varie specie di alghe rosse. Le carragenine sono polisaccaridi lineari solfatati ampiamente utilizzati nell’industria alimentare per le loro proprietà gelificanti, addensanti e stabilizzanti. La loro principale applicazione riguarda i prodotti lattiero-caseari e i prodotti a base di carne, grazie alla loro forte capacità di legarsi alle proteine alimentari. Esistono tre varietà principali di carragenina, che differiscono per il grado di solfatazione. La carragenina kappa ha un gruppo solfato per disaccaride. La carragenina iota (ι-carragenina) ha due gruppi solfato per disaccaride. La carragenina lambda (λ-carragenina) ha tre gruppi solfato per disaccaride.
La carragenina kappa (κ-carragenina) ha una struttura lineare di polisaccaride solfatato costituito da 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. Può essere presente come additivo in gelati, panna, fiocchi di latte, frappè, condimenti per insalate, latte condensato zuccherato, latte di soia e altri latti vegetali e salse, per aumentare la viscosità del prodotto.
Inoltre, la κ-carragenina può essere presente in prodotti non alimentari come addensante in shampoo e creme cosmetiche, nei dentifrici (come stabilizzante per impedire la separazione dei componenti), nelle schiume antincendio (come addensante per rendere la schiuma adesiva), nei gel deodoranti per ambienti, nei lucidi per scarpe (per aumentare la viscosità), nelle biotecnologie per immobilizzare cellule/enzimi, nei prodotti farmaceutici (come eccipiente inattivo in pillole/compresse), negli alimenti per animali domestici, ecc.
Immagini SEM di Ag/κ-carragenina a diverse concentrazioni di κ-carragenina. [0,1%, 0,2% e 0,3 %, rispettivamente (a, b, c)]. [Elsupikhe et al. 2015]