Sintesi di nanoargento con miele e ultrasuoni

Il nanoargento viene utilizzato per le sue proprietà antibatteriche per rafforzare i materiali in medicina e nella scienza dei materiali. La sonicazione consente una sintesi rapida, efficace, sicura ed ecocompatibile di nanoparticelle sferiche d’argento in acqua. La sintesi di nanoparticelle mediante ultrasuoni può essere facilmente scalata dalla produzione su piccola scala a quella su larga scala.

Sintesi di nanoargento colloidale assistita da ultrasuoni

La sintesi sonochimica, che si riferisce a reazioni chimiche facilitate dall’irradiazione ultrasonica, è un metodo ampiamente utilizzato per produrre nanoparticelle. Queste comprendono argento, oro, magnetite, idrossiapatite, perovskite, lattice e molti altri nanomateriali.

Sintesi chimica per via umida mediante ultrasuoni

Sono stati sviluppati diversi percorsi di sintesi assistita da ultrasuoni per produrre nanoparticelle d’argento. Un metodo particolarmente interessante impiega il miele sia come agente riducente sia come agente di rivestimento superficiale. I componenti del miele, come il glucosio e il fruttosio, svolgono sinergicamente questi ruoli durante il processo di sintesi.
Analogamente a molte tecniche di sintesi di nanoparticelle, la sintesi di nanoargento mediante ultrasuoni rientra nella categoria della chimica per via umida. Il processo inizia con la nucleazione di nanoparticelle d’argento all’interno di una soluzione. Durante la sonicazione, un precursore dell’argento (ad esempio, nitrato d’argento (AgNO₃) o perclorato d’argento (AgClO₄)) viene ridotto in presenza di un agente riducente, come il miele, per produrre argento colloidale.

Meccanismo di nucleazione e crescita dell’argento mediante ultrasuoni

Fase iniziale di nucleazione: All’aumentare della concentrazione degli ioni d’argento disciolti, gli ioni d’argento metallico iniziano a legarsi formando piccoli aggregati. In questa fase, tali aggregati sono energeticamente instabili a causa di un bilancio energetico negativo. L’energia necessaria per creare nuove superfici supera l’energia ottenuta riducendo la concentrazione dell’argento disciolto.

• Raggio critico: Quando un aggregato raggiunge una dimensione specifica (il raggio critico), il processo diventa energeticamente favorevole, stabilizzando l’aggregato. Questa stabilità consente all’aggregato di fungere da nucleo per un’ulteriore crescita.
• Fase di crescita: Durante la crescita, ulteriori atomi d’argento diffondono attraverso la soluzione e si legano alla superficie della nanoparticella in crescita. La crescita continua finché la concentrazione dell’argento disciolto non scende al di sotto della soglia di nucleazione, arrestando la formazione di nuovi nuclei.
• Diffusione e completamento: L’argento disciolto rimanente viene incorporato nelle nanoparticelle esistenti, completando il processo.

La sonicazione accelera il trasferimento di massa, in particolare i processi di bagnamento e diffusione, portando a una nucleazione più rapida e a una crescita controllata. Regolando con precisione i parametri di sonicazione, come l’intensità e la durata, è possibile regolare finemente le dimensioni, la velocità di crescita e la forma delle nanoparticelle. Questo controllo preciso garantisce strutture delle nanoparticelle uniformi e adattate ad applicazioni specifiche.

La sintesi assistita da ultrasuoni si distingue come un approccio efficace, scalabile e basato sulla chimica verde per produrre nanoargento con proprietà ben definite, offrendo vantaggi significativi per diverse applicazioni nella ricerca e nell’industria.

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La sonicazione facilita la sintesi rapida ed ecologica di piccole nanoparticelle d’argento con una distribuzione dimensionale ristretta.

Caso di studio sulla sintesi di nanoargento mediante ultrasuoni

Lo studio intitolato “Honey-Based and Ultrasonic-Assisted Synthesis of Silver Nanoparticles and Their Antibacterial Activities” di Oskuee et al. (2016) esamina un metodo semplice ed ecocompatibile per sintetizzare nanoparticelle d’argento (Ag-NPs) utilizzando miele naturale sia come agente riducente sia come agente stabilizzante. Il processo, che comporta la riduzione del nitrato d’argento (AgNO₃) sotto irradiazione ultrasonica, è caratterizzato da diversi parametri, tra cui la concentrazione degli ioni d’argento, la concentrazione del miele e il tempo di sonicazione. Le Ag-NPs risultanti hanno una dimensione media di circa 11,8 nm e mostrano proprietà antibatteriche contro batteri patogeni come Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa ed E. coli.
Lo studio evidenzia i vantaggi dell’utilizzo del miele nella sintesi di nanoparticelle, sottolineandone la natura ecologica, economica e non tossica. Gli autori dimostrano che le dimensioni e la resa delle Ag-NPs possono essere controllate regolando i parametri di reazione, come la concentrazione dell’argento, il contenuto di miele e la durata della sonicazione. È stato dimostrato che le Ag-NPs sintetizzate possiedono un’efficace attività antibatterica, in particolare contro E. coli e S. aureus, con concentrazioni minime inibenti (MIC) di circa 19,46 ppm. Questo metodo offre una potenziale applicazione delle Ag-NPs in ambito medico, compresa la guarigione delle ferite e il controllo delle infezioni.

• Materiali: nitrato d’argento (AgNO₃) come precursore dell’argento; miele come agente di rivestimento superficiale / riducente; acqua
• Dispositivo a ultrasuoni: Sonicatore a sonda UP400St

Protocollo di sintesi mediante ultrasuoni

Le migliori condizioni individuate per sintetizzare nanoparticelle d’argento colloidale sono le seguenti: riduzione del nitrato d’argento mediante sonicazione mediata da miele naturale. In breve, 20 ml di soluzione di nitrato d’argento (0,3 M) contenente miele (20 wt%) sono stati esposti a irradiazione ultrasonica ad alta intensità in condizioni ambientali per 30 min. La sonicazione è stata effettuata con il sonicatore a sonda UP400S (400W, 24 kHz) immerso direttamente nella soluzione di reazione.
Il miele di grado alimentare viene utilizzato come agente di rivestimento superficiale / stabilizzante e riducente, rendendo la soluzione acquosa di nucleazione e le nanoparticelle precipitate pulite e sicure per molteplici applicazioni.
All’aumentare del tempo di sonicazione, le nanoparticelle d’argento diventano più piccole e la loro concentrazione aumenta.
Nella soluzione acquosa di miele, la sonicazione è un fattore chiave che influenza la formazione di nanoparticelle d’argento. I parametri di sonicazione, come l’ampiezza, il tempo e l’utilizzo di ultrasuoni continui o pulsati, sono fattori fondamentali che consentono di controllare le dimensioni e la quantità delle nanoparticelle d’argento.

Distribuzione dimensionale delle Ag-NPs sintetizzate in condizioni ottimali; concentrazioni dell’argento (0,3 M), concentrazioni del miele (20 wt%) e tempi di irradiazione ultrasonica (30 min)
fonte dell’immagine: ©Oskuee et al. 2016

Risultato della sintesi di nanoparticelle d’argento mediante ultrasuoni

La sintesi favorita dagli ultrasuoni e mediata dal miele con il sonicatore UP400St ha prodotto nanoparticelle sferiche d’argento (Ag-NPs) con una dimensione media delle particelle di circa 11,8nm. La sintesi delle nanoparticelle d’argento mediante ultrasuoni è un metodo semplice e rapido che si svolge in un unico recipiente. L’utilizzo di acqua e miele come materiali rende la reazione economica ed eccezionalmente ecocompatibile.
La tecnica di sintesi mediante ultrasuoni presentata, che utilizza il miele come agente riducente e di rivestimento superficiale, può essere estesa ad altri metalli nobili, come oro, palladio e rame, offrendo diverse applicazioni aggiuntive dalla medicina all’industria.

Distribuzione dimensionale delle Ag-NPs sintetizzate in condizioni ottimali; concentrazioni dell’argento (0,3 M), concentrazioni del miele (20 wt%) e tempo di irradiazione ultrasonica (30 min)
Studio e immagine: ©Oskuee et al. 2016

Influenzare la nucleazione e le dimensioni delle particelle mediante sonicazione

Gli ultrasuoni consentono di produrre nanoparticelle, come le nanoparticelle d’argento, adattate alle esigenze. Tre modalità generali di sonicazione hanno effetti importanti sul risultato:
Sonicazione iniziale: La breve applicazione di onde ultrasoniche a una soluzione sovrasatura può avviare la germinazione e la formazione di nuclei. Poiché la sonicazione viene applicata solo durante la fase iniziale, la successiva crescita dei cristalli procede senza ostacoli, producendo cristalli più grandi.
Sonicazione continua: L’irradiazione continua della soluzione sovrasatura produce piccoli cristalli, poiché la sonicazione senza interruzioni crea numerosi nuclei, determinando la crescita di molti piccoli cristalli.
Sonicazione pulsata: Gli ultrasuoni pulsati consistono nell’applicazione di ultrasuoni a intervalli definiti. Un apporto di energia ultrasonica controllato con precisione consente di influenzare la crescita dei cristalli per ottenere cristalli delle dimensioni desiderate.

Sonicatori ad alte prestazioni per la sintesi di nanoparticelle

Hielscher Ultrasonics offre processori a ultrasuoni potenti e affidabili, progettati per applicazioni sonochimiche avanzate, tra cui la sonosintesi e la sonocatalisi. La miscelazione e la dispersione mediante ultrasuoni migliorano significativamente il trasferimento di massa, favoriscono il bagnamento degli aggregati di atomi e facilitano la loro successiva nucleazione, portando a una precipitazione efficiente delle nanoparticelle. La sintesi mediante ultrasuoni è riconosciuta come un metodo semplice, economico, biocompatibile, riproducibile, rapido e sicuro per produrre nanomateriali di alta qualità. (Scopri di più sulla sintesi sonochimica della perovskite e delle nanostrutture di ZnO!)

I sonicatori Hielscher sono progettati per un controllo preciso, che consente di ottenere condizioni ottimali per la nucleazione e la crescita dei nanomateriali. Questi dispositivi digitali sono dotati di software intelligente, display touch a colori e menu intuitivo per un utilizzo sicuro e semplice. Inoltre, dispongono della registrazione automatica dei dati su una scheda SD integrata, garantendo una documentazione continua del processo.

Con una gamma completa di sistemi – dai sonicatori portatili compatti da 50 watt per uso in laboratorio ai robusti sistemi industriali da 16.000 watt – Hielscher offre la soluzione a ultrasuoni ideale per ogni applicazione. Progettate per durare nel tempo, le apparecchiature a ultrasuoni Hielscher sono costruite per funzionare continuamente in condizioni di impiego gravose, anche in ambienti impegnativi, garantendo prestazioni affidabili 24/7.
La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori:

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