ハチミツと超音波によるナノ銀の合成

ナノ銀は抗菌性があり、医療や材料科学の分野で材料の強化に利用されている。超音波処理により、水中で球状の銀ナノ粒子を迅速、効率的、安全かつ環境に優しく合成することができる。超音波ナノ粒子合成は、少量生産から大量生産まで容易にスケールアップできる。

超音波を用いたコロイド状ナノ銀の合成

超音波照射によって促進される化学反応を指すソノケミカル合成は、ナノ粒子の製造に広く応用されている方法である。これには銀、金、マグネタイトなどが含まれる、 ヒドロキシアパタイト, クロロキン, ペロブスカイト, ラテックス その他多くのナノ材料

超音波湿式化学合成

銀ナノ粒子を製造するために、複数の超音波支援合成ルートが開発されてきた。注目すべき方法の一つは、還元剤とキャッピング剤の両方として蜂蜜を用いるものである。ハチミツに含まれるグルコースやフルクトースなどの成分は、合成過程でこれらの役割を相乗的に果たす。
多くのナノ粒子合成技術と同様に、超音波ナノ銀合成も湿式化学のカテゴリーに入る。このプロセスは、溶液内での銀ナノ粒子の核形成から始まる。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))を蜂蜜などの還元剤の存在下で還元し、コロイド銀を生成する。

超音波による銀の核生成と成長のメカニズム

初期核形成期： 溶解した銀イオンの濃度が高くなると、金属銀イオンが結合して小さなクラスターを形成し始めます。この段階では、これらのクラスターは負のエネルギーバランスのためにエネルギー的に不安定である。新しい表面を作るために必要なエネルギーが、溶存銀濃度を下げることによって得られるエネルギーを上回ってしまうのです。

• クリティカル半径： クラスターが特定のサイズ（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、クラスターが安定する。この安定性により、クラスターはさらなる成長のための核として機能する。
• 成長期： 成長中、追加の銀原子が溶液中を拡散し、成長中のナノ粒子表面に付着する。この成長は、溶解した銀の濃度が核生成の閾値を下回り、新しい核の形成が停止するまで続く。
• 拡散と完成： 溶け残った銀は既存のナノ粒子に取り込まれ、プロセスは完了する。

ソニケーションは物質移動、特に湿潤と拡散のプロセスを加速し、より速い核生成と制御された成長をもたらします。強度や時間などの超音波処理パラメーターを正確に調整することで、ナノ粒子のサイズ、成長速度、形状を細かく調整することができます。この精密な制御により、特定の用途に合わせた一貫したナノ粒子構造が保証される。

超音波アシスト合成は、明確な特性を持つナノ銀を製造するための効果的でスケーラブルなグリーンケミストリーアプローチ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す。

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ソニケーションは、サイズ分布の狭い小さな銀ナノ粒子の迅速でグリーンな合成を容易にする。

超音波ナノ銀合成のケーススタディ

と題された研究がある。 “ハチミツと超音波を用いた銀ナノ粒子の合成とその抗菌活性” by Oskuee et al. (2016)は、還元剤と安定化剤の両方として天然蜂蜜を使用した、銀ナノ粒子（Ag-NPs）を合成するためのシンプルで環境に優しい方法を探求している。超音波照射下で硝酸銀(AgNO₃)を還元するこのプロセスは、銀イオン濃度、蜂蜜濃度、超音波照射時間などの様々なパラメータによって特徴付けられる。得られたAg-NPsの平均粒径は約11.8nmで、黄色ブドウ球菌、緑膿菌、大腸菌などの病原性細菌に対して抗菌性を示した。
この研究は、ナノ粒子合成に蜂蜜を使用する利点を強調し、その環境に優しく、低コストで、無害であることを強調している。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のサイズと収率を制御できることを実証した。合成されたAg-NPsは、特に大腸菌と黄色ブドウ球菌に対して有効な抗菌活性を有し、最小発育阻止濃度（MIC）は約19.46ppmであることが示された。この方法は、創傷治癒や感染制御を含む医療分野におけるAg-NPsの応用の可能性を提示するものである。

• 材料： 硝酸銀₃)を銀前駆体として、蜂蜜をキャップ／還元剤として、水を使用した。
• 超音波装置： プローブ型ソニケーター 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ための最適な条件は以下の通りであることがわかった： 天然蜂蜜を介した超音波処理下での硝酸銀の還元。簡単に説明すると、蜂蜜（20 wt%）を含む硝酸銀溶液（0.3 M）20 mlを、周囲条件下で高強度の超音波照射に30分間曝した。超音波照射は、プローブ型超音波発生装置UP400S（400W、24kHz）を反応液に直接浸漬して行った。
食品グレードの蜂蜜は、キャッピング剤／安定化剤／還元剤として使用され、核生成水溶液と析出したナノ粒子をクリーンで安全なものにし、様々な用途に使用できる。
超音波処理の時間が長くなるにつれて、銀ナノ粒子は小さくなり、その濃度は高まる。
ハチミツ水溶液中では、超音波照射が銀ナノ粒子の形成に影響を与える重要な要因である。振幅、時間、連続超音波か脈動超音波かなどの超音波処理パラメータは、銀ナノ粒子のサイズと量を制御することができる主要な要因である。

銀濃度（0.3M）、ハチミツ濃度（20wt%）、超音波照射時間（30分）の最適条件で合成したAg-NPsの粒度分布
写真出典：©Oskuee et al.

銀ナノ粒子の超音波合成結果

ソニケーターUP400Stを用いた超音波による蜂蜜を介した合成により、平均粒径約11.8nmの球状銀ナノ粒子(Ag-NPs)が得られた。銀ナノ粒子の超音波合成は、シンプルで迅速なワンポット法である。材料として水と蜂蜜を使用するため、費用対効果が高く、非常に環境に優しい反応である。
ハチミツを還元剤および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、銅などの貴金属に拡張することができ、医療から工業までさまざまな応用が可能である。

銀濃度(0.3M)、蜂蜜濃度(20wt%)、超音波照射時間(30分)の最適条件で合成したAg-NPsの粒度分布
研究と写真：©Oskuee et al.

超音波処理による核生成と粒子径への影響

超音波は、銀ナノ粒子のようなナノ粒子を要求に合わせて製造することを可能にします。超音波処理の3つの一般的なオプションは、出力に重要な影響を与えます：
最初のソニケーション： 過飽和溶液に超音波を短時間加えることで、核の播種と形成を開始することができる。超音波照射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行し、より大きな結晶が得られる。
連続的な超音波処理： 過飽和溶液を連続的に照射することで、小さな結晶が得られる。これは、超音波を中断せずに照射することで、多くの核が生成し、小さな結晶が多数成長するためである。
パルス超音波処理： パルス超音波とは、一定の間隔で超音波を印加することを意味する。正確に制御された超音波エネルギーの入力により、結晶成長に影響を与え、オーダーメイドの結晶サイズを得ることができる。

ナノ粒子合成のための高性能超音波発生装置

Hielscher Ultrasonics社は、超音波合成や超音波触媒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、物質移動を著しく促進し、原子クラスターの濡れを促進し、その後の核形成を促進し、ナノ粒子の効率的な沈殿をもたらします。超音波合成は、高品質なナノ材料を製造するための、シンプルで費用対効果が高く、生体適合性があり、再現性が高く、迅速で安全な方法として認識されている。(ペロブスカイトの超音波化学合成についてもっと読む そして ZnOナノ構造！)

Hielscher社の超音波装置は、ナノ材料の核生成と成長に最適な条件を可能にする精密制御のために設計されています。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、安全でユーザーフレンドリーな操作のための直感的なメニューを備えています。さらに、内蔵SDカードへの自動データ記録により、シームレスなプロセス文書化を実現します。

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下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：

ナノ粒子合成の従来法とグリーン合成法の比較。