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

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 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.

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.

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La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasuoni: