Tecnologia ad ultrasuoni Hielscher

Sintetizzare nano-argento con miele e ultrasuoni

Il nanoargento è usato per le sue proprietà antibatteriche per rinforzare i materiali in medicina e nella scienza dei materiali. L'ecografia permette una sintesi rapida, efficace, sicura e rispettosa dell'ambiente delle nanoparticelle d'argento sferiche in acqua. La sintesi ad ultrasuoni delle nanoparticelle può essere facilmente scalata dalla piccola alla grande produzione.

Sintesi ad ultrasuoni di nano-argento colloidale

Le sintesi chimiche soniche, che sono reazioni sintetiche sotto l'irradiazione ultrasonica, sono ampiamente utilizzate per produrre nanoparticelle come l'argento, l'oro, la magnetite, idrossiapatite, Clorochina, Perovskite, lattice e molti altri nano-materiali.

Sintesi chimica umida ad ultrasuoni

Per le nano-particelle d'argento, sono note diverse vie di sintesi assistite da ultrasuoni. Qui di seguito viene presentata una via di sintesi ad ultrasuoni che utilizza il miele come agente riducente e legante. I componenti del miele, come il glucosio e il fruttosio, sono responsabili del suo ruolo sia come agente riduttivo che come agente di riduzione nel processo di sintesi.
Come la maggior parte dei metodi più comuni per la sintesi delle nanoparticelle, anche la sintesi ultrasonica di nanoargento rientra nella categoria della chimica umida. L'ultrasonicizzazione promuove la nucleazione delle nano-particelle d'argento all'interno di una soluzione. La nucleazione ultrasonicamente promossa si verifica quando un precursore d'argento (complesso ionico d'argento), ad esempio il nitrato d'argento (AgNO3) o perclorato d'argento (AgClO4), si riduce ad argento colloidale in presenza di un agente riducente, come il miele. A condizione che la concentrazione di ioni d'argento nella soluzione aumenti a sufficienza, gli ioni d'argento metallici disciolti si legano tra loro e formano una superficie stabile. Quando il gruppo di ioni d'argento è ancora piccolo, è una condizione energeticamente sfavorevole a causa di un bilancio energetico negativo. Il bilancio energetico negativo si verifica poiché l'energia ottenuta diminuendo la concentrazione delle particelle d'argento disciolte è inferiore all'energia spesa creando una nuova superficie.
Quando l'ammasso raggiunge il raggio critico, che è il punto in cui diventa energeticamente favorevole, è abbastanza stabile da continuare a crescere. Durante la fase di crescita, più atomi di argento si diffondono attraverso la soluzione e si attaccano alla superficie. Quando la concentrazione di argento atomico disciolto diminuisce fino ad un certo punto, la soglia di nucleazione viene raggiunta in modo che gli atomi non possano legarsi più a lungo per formare un nucleo stabile. A questa soglia di nucleazione, la crescita di nuove nanoparticelle cessa, e l'argento disciolto rimanente viene assorbito per diffusione nelle nanoparticelle crescenti nella soluzione.
La sonicazione promuove il trasferimento di massa, cioè la bagnatura dei cluster, che si traduce in una nucleazione più veloce. Con la sonicazione controllata con precisione, è possibile determinare il tasso di crescita, le dimensioni e la forma delle strutture delle nanoparticelle.
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La sintesi assistita ad ultrasuoni di nano-particelle d'argento che utilizza il miele come agente riducente e tappante è un metodo facile, efficiente e verde.

Confronto tra metodi convenzionali e metodi di sintesi verde della sintesi delle nanoparticelle.

Vantaggi della sintesi ad ultrasuoni nano-argento

  • semplice reazione di un solo punto
  • Sicuro
  • processo rapido
  • Basso costo
  • Scalabilità lineare
  • ecologico, chimica verde
UP400St omogeneizzatore ad ultrasuoni 400 watt per la sonicazione in batch

UP400St – un potente ultrasuonizzatore da 400 watt per la sintesi sonorochimica di nano-particelle

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Caso di studio di sintesi ad ultrasuoni nano-argento

Materiali: nitrato d'argento (AgNO3) come precursore dell'argento; miele come agente tappante/riduttore; acqua
Dispositivo ad ultrasuoni: UP400St

Protocollo di sintesi ad ultrasuoni

Le condizioni migliori per sintetizzare le nanoparticelle colloidali d'argento sono state trovate le seguenti: Riduzione del nitrato d'argento sotto l'effetto degli ultrasuoni mediato dal miele naturale. In breve, 20 ml di soluzione di nitrato d'argento (0,3 M) contenente miele (20 wt%) sono stati esposti ad un'irradiazione ad alta intensità di ultrasuoni in condizioni ambientali per 30 min. L'ecografia è stata effettuata con un ultrasuonatore a sonda UP400S (400W, 24 kHz) immerso direttamente nella soluzione di reazione.

Distribuzione dimensionale delle nano-particelle d'argento sintetizzate ad ultrasuoni (Ag-NPs)

Distribuzione granulometrica degli Ag-NP sintetizzati in condizioni ottimali; concentrazioni di argento (0,3 M), concentrazioni di miele (20 wt%) e tempo di irradiazione ultrasonica (30 min)
fonte di immagini: Oskuee et al. 2016

Il miele per uso alimentare viene utilizzato come agente di tappatura / stabilizzante e riducente, che rende la soluzione acquosa di nucleazione e le nanoparticelle precipitate pulite e sicure per molteplici applicazioni.
Con l'aumento del tempo di ecografia, le nanoparticelle d'argento diventano più piccole e la loro concentrazione aumenta.
Nella soluzione acquosa di miele, l'ecografia è un fattore chiave che influenza la formazione di nano-particelle d'argento. I parametri di sonicazione come l'ampiezza, il tempo e gli ultrasuoni continui rispetto a quelli pulsanti sono i fattori principali che permettono di controllare le dimensioni e la quantità delle nano-particelle d'argento.

Risultato della sintesi ad ultrasuoni di nanoparticelle d'argento

La sintesi ultrasonica promossa, mediata dal miele, con la UP400St ha dato luogo a nano-particelle sferiche d'argento (Ag-NPs) con una dimensione media delle particelle di circa 11,8 nm. La sintesi ad ultrasuoni delle nano-particelle d'argento è un metodo semplice e rapido one-pot. L'uso di acqua e miele come materiali, rende la reazione economica ed eccezionalmente rispettosa dell'ambiente.
La tecnica presentata della sintesi ad ultrasuoni che utilizza il miele come agente riducente e tappante può essere estesa ad altri metalli nobili, come oro, palladio e rame, che offre varie applicazioni aggiuntive dalla medicina all'industria.

Le nano-particelle d'argento sintetizzate ad ultrasuoni sono di forma sferica e mostrano una dimensione uniforme delle particelle.

Immagine TEM (A) e la sua distribuzione granulometrica (B) di Ag-NPs sintetizzati in condizioni ottimali.

Influenzare la nucleazione e la dimensione delle particelle attraverso la sonicazione

Gli ultrasuoni consentono la produzione di nano-particelle come le nano-particelle d'argento su misura. Tre opzioni generali di sonicazione hanno importanti effetti sull'output:
Sonicazione iniziale: La breve applicazione di onde ultrasoniche ad una soluzione supersatura può avviare la semina e la formazione di nuclei. Poiché la sonicazione viene applicata solo durante la fase iniziale, la successiva crescita dei cristalli procede senza ostacoli, dando luogo a cristalli più grandi.
Sonicazione continua: L'irradiazione continua della soluzione supersatura dà luogo a piccoli cristalli, poiché l'ultrasonicità non interrotta crea molti nuclei con conseguente crescita di molti piccoli cristalli.
Sonicazione pulsata: Per ecografia pulsata si intende l'applicazione di ultrasuoni in determinati intervalli. Un ingresso di energia ad ultrasuoni controllato con precisione permette di influenzare la crescita del cristallo per ottenere una dimensione del cristallo su misura.

Ultrasuoni ad alte prestazioni per la sintesi

Hielscher Ultrasonics fornisce potenti ed affidabili processori ad ultrasuoni per applicazioni soniche, tra cui sono-sintesi e sono-catalisi. La miscelazione e la dispersione ad ultrasuoni aumenta il trasferimento di massa e promuove la bagnatura e la successiva nucleazione di ammassi di atomi al fine di precipitare le nano-particelle. La sintesi ad ultrasuoni delle nano-particelle è un metodo semplice, economico, biocompatibile, riproducibile, rapido e sicuro.
Hielscher Ultrasonics fornisce potenti e precisamente controllabili processori ad ultrasuoni per la nucleazione e la precipitazione di nano-materiali. Tutti i dispositivi digitali sono dotati di software intelligente, display touch-screen a colori, registrazione automatica dei dati su una scheda SD integrata e dispongono di un menu intuitivo per un funzionamento facile e sicuro.
Coprendo l'intera gamma di potenza da 50 watt di ultrasuoni portatili per il laboratorio fino a 16.000 watt di potenti sistemi industriali ad ultrasuoni, Hielscher ha la configurazione ad ultrasuoni ideale per la vostra applicazione. La robustezza delle apparecchiature ad ultrasuoni di Hielscher permette di operare 24 ore su 24, 7 giorni su 7, in condizioni di lavoro gravose e in ambienti difficili.
La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasuoni:

Volume di batch Portata Dispositivi raccomandati
1 - 500mL 10 - 200mL/min UP100H
10 - 2000mL 20 - 400mL/min UP200Ht, UP400St
0,1 - 20L 0,2 - 4L/min UIP2000hdT
10 - 100L 2 - 10L/min UIP4000hdT
n.a. 10 - 100L/min UIP16000
n.a. più grande cluster di UIP16000

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Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni per la dispersione, l'emulsione e l'estrazione delle cellule.

Omogeneizzatori ad ultrasuoni ad alta potenza di laboratorio a pilota e Industriale scala.



Particolarità / Cose da sapere

Nano-particelle d'argento

Le nano-particelle d'argento sono particelle d'argento con dimensioni comprese tra 1nm e 100nm. Le nanoparticelle d'argento hanno una superficie estremamente ampia, che permette il coordinamento di un vasto numero di ligandi.
Le nanoparticelle d'argento offrono proprietà ottiche, elettriche e termiche uniche che le rendono molto preziose per la scienza dei materiali e lo sviluppo di prodotti, ad esempio, il fotovoltaico, l'elettronica, gli inchiostri conduttivi, i sensori biologici / chimici.
Un'altra applicazione, che si è già ampiamente affermata, è l'uso di nanoparticelle d'argento per i rivestimenti antimicrobici, e molti tessuti, tastiere, medicazioni per ferite e dispositivi biomedici ora contengono nanoparticelle d'argento che rilasciano continuamente un basso livello di ioni d'argento per fornire protezione contro i batteri.

Nano-Argento in Tessile
Le nano-particelle d'argento sono applicate alla produzione tessile, dove gli Ag-NP vengono utilizzati per fabbricare tessuti di cotone con colori sintonizzabili, capacità antibatteriche e proprietà superidrofobiche autocicatrizzanti. La proprietà antibatterica delle nano-particelle d'argento permette di fabbricare tessuti che degradano l'odore dei batteri (ad es. odore di sudore).

Rivestimento antibatterico per medicinali e forniture mediche
Le nano-particelle d'argento presentano caratteristiche antibatteriche, antifungine e antiossidative, che le rendono interessanti per applicazioni farmaceutiche e mediche, ad esempio per lavori odontoiatrici, applicazioni chirurgiche, trattamenti di guarigione delle ferite e dispositivi biomedici. La ricerca ha dimostrato che le nano-particelle d'argento (Ag-nPs) inibiscono la crescita e la moltiplicazione di vari ceppi batterici come Bacillus cereus, Staphylococcus aureus, Citrobacter koseri, Salmonella typhii, Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli, Klebsiella pneumonia, Vibrio parahaemolyticus e il fungo Candida albicans. L'effetto antibatterico / antifungino si ottiene grazie a nano-particelle d'argento che si diffondono nelle cellule e legano gli ioni Ag/Ag+ alle biomolecole delle cellule microbiche in modo che la loro funzione venga perturbata.