蜂蜜と超音波によるナノ銀の合成

ナノ銀は、その抗菌特性を利用して、医療および材料科学における材料の強化に用いられています。超音波処理により、水中で球状銀ナノ粒子を迅速、効果的、安全かつ環境に優しい方法で合成できます。超音波によるナノ粒子合成は、小規模生産から大規模生産へ容易にスケールアップできます。

超音波支援によるコロイド状ナノ銀の合成

ソノケミカル合成とは、超音波照射によって促進される化学反応を指し、ナノ粒子の製造に広く用いられている方法です。対象には、銀、金、マグネタイト、 ハイドロキシアパタイト, ペロブスカイト, ラテックス など、多くのナノ材料が含まれます。

超音波による湿式化学合成

銀ナノ粒子を製造するために、複数の超音波支援合成経路が開発されています。注目すべき方法の一つは、蜂蜜を還元剤とキャッピング剤の両方として使用するものです。グルコースやフルクトースなどの蜂蜜の成分は、合成過程でこれらの役割において相乗的に作用します。
多くのナノ粒子合成技術と同様に、超音波によるナノ銀合成は湿式化学の範疇に属します。このプロセスは、溶液中での銀ナノ粒子の核生成から始まります。超音波処理中に、銀前駆体（例えば、硝酸銀（AgNO₃）、または過塩素酸銀（AgClO₄））が、蜂蜜などの還元剤の存在下で還元され、コロイド銀が生成します。

超音波による銀の核生成と成長の機構

初期核生成段階： 溶存銀イオンの濃度が上昇すると、金属銀イオンが結合し始め、小さなクラスターを形成します。この段階では、エネルギー収支が負であるため、これらのクラスターはエネルギー的に不安定です。新しい表面を形成するために必要なエネルギーが、溶存銀濃度の低下によって得られるエネルギーを上回ります。

• 臨界半径： クラスターが特定の大きさ（臨界半径）に達すると、このプロセスはエネルギー的に有利になり、クラスターが安定化します。この安定性により、クラスターはさらなる成長の核として機能できます。
• 成長段階： 成長中には、さらに銀原子が溶液中を拡散し、成長するナノ粒子の表面に付着します。溶存銀濃度が核生成の閾値を下回るまで成長は続き、その時点で新しい核の形成が停止します。
• 拡散と完了： 残りの溶存銀が既存のナノ粒子に取り込まれ、プロセスが完了します。

超音波処理は物質移動、特に濡れと拡散のプロセスを促進し、核生成の迅速化と成長の制御をもたらします。強度や時間などの超音波処理パラメーターを精密に調整することで、ナノ粒子の大きさ、成長速度、形状を細かく調整できます。この精密な制御により、特定の用途に合わせた一貫性のあるナノ粒子構造が確保されます。

超音波支援合成は、明確に規定された特性を持つナノ銀を製造するための、効果的でスケールアップ可能なグリーンケミストリーの手法として際立っており、研究および産業における多様な用途に大きな利点をもたらします。

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超音波処理は、粒径分布の狭い小さな銀ナノ粒子の迅速で環境に優しい合成を促進します。

超音波によるナノ銀合成の事例研究

Oskuee et al. (2016)による「蜂蜜を用いた超音波支援による銀ナノ粒子の合成とその抗菌活性」と題した研究は、天然蜂蜜を還元剤と安定化剤の両方として使用し、銀ナノ粒子（Ag-NPs）を合成する簡単で環境に優しい方法を検討しています。このプロセスでは、超音波照射下で硝酸銀（AgNO₃）を還元し、銀イオン濃度、蜂蜜濃度、超音波処理時間などのさまざまなパラメーターによって特性が決まります。得られるAg-NPsの平均粒径は約11.8 nmで、Staphylococcus aureus、Pseudomonas aeruginosa、E. coliなどの病原性細菌に対して抗菌特性を示します。
この研究は、ナノ粒子合成に蜂蜜を使用する利点を取り上げ、環境に優しく、低コストで、毒性がないという性質を強調しています。著者らは、銀濃度、蜂蜜含有量、超音波処理時間などの反応パラメーターを調整することで、Ag-NPsの粒径と収率を制御できることを示しています。合成されたAg-NPsは、特にE. coliとS. aureusに対して有効な抗菌活性を持つことが示され、最小発育阻止濃度（MIC）は約19.46 ppmでした。この方法は、創傷治癒や感染制御を含む医療分野でのAg-NPsの応用の可能性を示しています。

• 材料： 硝酸銀（AgNO₃）を銀前駆体として使用；蜂蜜をキャッピング剤 / 還元剤として使用；水
• 超音波装置： プローブ型超音波処理装置UP400St

超音波合成プロトコル

コロイド状銀ナノ粒子を合成する最良の条件は、天然蜂蜜を介した超音波処理下で硝酸銀を還元することであると判明しました。概要としては、蜂蜜（20 wt%）を含む硝酸銀溶液（0.3 M）20 mlに、周囲環境条件下で30 min、高強度の超音波を照射しました。超音波処理は、プローブ型超音波処理装置UP400S（400W, 24 kHz）を反応溶液に直接浸して行いました。
食品グレードの蜂蜜をキャッピング剤 / 安定化剤および還元剤として使用することで、核生成が起こる水溶液と析出したナノ粒子は清浄で、多様な用途に安全に使用できます。
超音波処理時間が長くなるにつれて、銀ナノ粒子は小さくなり、その濃度は上昇します。
蜂蜜水溶液中では、超音波処理は銀ナノ粒子の形成に影響を及ぼす重要な要因です。振幅、時間、連続超音波かパルス超音波かといった超音波処理パラメーターは、銀ナノ粒子の大きさと量を制御するための主要な要因です。

最適条件で合成したAg-NPsの粒径分布；銀濃度（0.3 M）、蜂蜜濃度（20 wt%）、超音波照射時間（30 min）
画像出典： ©Oskuee et al. 2016

銀ナノ粒子の超音波合成の結果

超音波処理装置UP400Stを用いて超音波で促進した蜂蜜を介する合成により、平均粒径が約11.8nmの球状銀ナノ粒子（Ag-NPs）が得られました。銀ナノ粒子の超音波合成は、簡単で迅速なワンポット法です。水と蜂蜜を材料として使用することで、この反応は費用対効果が高く、極めて環境に優しいものとなります。
ここで紹介した、蜂蜜を還元剤とキャッピング剤として使用する超音波合成技術は、金、パラジウム、銅などの他の貴金属にも拡張でき、医療から産業まで、さまざまな追加の応用を可能にします。

最適条件で合成したAg-NPsの粒径分布；銀濃度（0.3 M）、蜂蜜濃度（20 wt%）、超音波照射時間（30 min）
研究および画像：©Oskuee et al. 2016

超音波処理による核生成と粒径への影響

超音波により、銀ナノ粒子などのナノ粒子を要件に合わせて製造できます。超音波処理の三つの一般的な方式は、得られる生成物に重要な影響を及ぼします：
初期超音波処理： 過飽和溶液に短時間超音波を照射すると、種の生成と核の形成を開始させることができます。超音波処理は初期段階でのみ行われるため、その後の結晶成長は妨げられることなく進み、より大きな結晶が得られます。
連続超音波処理： 過飽和溶液に連続して超音波を照射すると、中断のない超音波処理によって多数の核が生成され、多くの小さな結晶が成長するため、小さな結晶が得られます。
パルス超音波処理： パルス超音波とは、定められた間隔で超音波を照射することを意味します。超音波エネルギーの投入を精密に制御することで結晶成長に影響を与え、目的に合わせた結晶サイズを得ることができます。

ナノ粒子合成用の高性能超音波処理装置

Hielscher Ultrasonicsは、超音波合成や超音波触媒反応などの高度なソノケミカル用途向けに設計された、高出力で信頼性の高い超音波プロセッサーを提供しています。超音波による混合と分散は、物質移動を大幅に促進し、原子クラスターの濡れを促し、その後の核生成を助けることで、ナノ粒子の効率的な析出につながります。超音波合成は、高品質のナノ材料を製造するための、簡単で費用対効果が高く、生体適合性があり、再現性に優れ、迅速かつ安全な方法として認められています。（ペロブスカイトのソノケミカル合成 および ZnOナノ構造について詳しくはこちら！）

Hielscherの超音波処理装置は精密な制御ができるように設計されており、ナノ材料の核生成と成長に最適な条件を実現します。これらのデジタル装置は、インテリジェントなソフトウェア、カラータッチディスプレイ、直感的なメニューを備え、安全で使いやすい操作を可能にします。さらに、内蔵SDカードへの自動データ記録機能により、プロセスを円滑に記録できます。

実験室用のコンパクトな50ワットのハンドヘルド型超音波処理装置から、堅牢な16,000ワットの産業用システムまで – 包括的なシステムラインアップにより、Hielscherはあらゆる用途に理想的な超音波ソリューションを提供します。耐久性を重視して設計されたHielscherの超音波装置は、過酷な環境でも高負荷条件下で連続運転できるように製造されており、24/7の信頼性の高い性能を確保します。
以下の表は、当社の超音波処理装置のおおよその処理能力の目安を示しています。

ナノ粒子合成における従来法と環境に優しい合成法の比較。