ナノシルバーと蜂蜜および超音波の合成

ナノシルバーは、その抗菌特性を利用して、医学や材料科学の材料を強化します。超音波処理は、水中の球状銀ナノ粒子の迅速で、効果的で、安全で、環境に優しい合成を可能にする。超音波ナノ粒子合成は、小規模生産から大規模生産まで容易に拡大することができます。

超音波支援によるコロイドナノ銀の合成

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、ナノ粒子を製造するための広く適用されている方法です。これらには、銀、金、マグネタイト、 ハイドロキシアパ 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経路が開発されている。注目すべき方法の1つは、還元剤とキャッピング剤の両方として蜂蜜を使用することです。グルコースやフルクトースなどの蜂蜜に含まれる成分は、合成プロセス中にこれらの役割で相乗的に作用します。
多くのナノ粒子合成技術と同様に、超音波ナノ銀合成は湿式化学の範疇に入る。このプロセスは、溶液中の銀ナノ粒子の核形成から始まります。超音波処理中、銀前駆体(例えば、硝酸銀(AgNO)₃)、または過塩素酸銀(AgClO₄))は、蜂蜜などの還元剤の存在下で還元され、コロイド状銀が生成されます。

超音波銀核形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増加すると、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す。新しい表面を作成するために必要なエネルギーは、溶解した銀の濃度を減らすことによって得られるエネルギーを上回ります。

• 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、プロセスはエネルギー的に有利になり、クラスターが安定します。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ことができます。
• 成長期: 成長中、追加の銀原子が溶液中を拡散し、成長するナノ粒子表面に付着します。溶解した銀の濃度が核形成閾値を下回り、新しい核の形成が止まるまで成長が続きます。
• 拡散と完成: 残りの溶解した銀は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、特に湿潤および拡散プロセスを加速し、それがより速い核形成および制御された成長をもたらす。強度や持続時間などの超音波処理パラメータを正確に調整することにより、ナノ粒子のサイズ、成長速度、および形状を微調整することができます。この正確な制御により、特定のアプリケーションに合わせた一貫したナノ粒子構造が保証されます。

超音波支援合成は、明確に定義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アプリケーションに大きな利点を提供します。

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超音波処理は、狭いサイズ分布を有する小さな銀ナノ粒子の迅速で緑色の合成を促進する。

超音波ナノ銀合成のケーススタディ

タイトルの研究 “ハチミツベースおよび超音波支援による銀ナノ粒子の合成とその抗菌活性” Oskueeら(2016)は、天然蜂蜜を還元剤と安定化剤の両方として使用して銀ナノ粒子(Ag-NP)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ます。超音波照射下での硝酸銀(AgNO₃)の還元を含むこのプロセスは、銀イオン濃度、蜂蜜濃度、および超音波処理時間を含む様々なパラメータによって特徴付けられる。得られたAg-NPは、平均サイズが約11.8 nmで、黄色ブドウ球菌、緑膿菌、大腸菌などの病原菌に対して抗菌特性を示します。
この研究では、ナノ粒子合成に蜂蜜を使用することの利点を強調し、その環境に優しく、低コストで、毒性のない性質を強調しています。著者らは、Ag-NPのサイズと収率が、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を調整することによって制御できることを実証しています。合成されたAg-NPは、特に大腸菌および黄色ブドウ球菌に対して有効な抗菌活性を有することが示され、最小阻害濃度(MIC)は約19.46ppmでした。この方法は、創傷治癒や感染制御などの医療分野でのAg-NPの潜在的な応用を示しています。

• 料： 硝酸銀(AgNO₃)銀の前駆体として。キャッピング/還元剤としての蜂蜜。水
• 超音波装置: プローブ式ソニケーター 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良の条件は、以下の通りであることがわかった:天然蜂蜜によって媒介される超音波処理下で硝酸銀を還元する。簡単に言えば、蜂蜜(20重量%)を含む20mlの硝酸銀溶液(0.3M)を、周囲条件下で30分間高強度超音波照射に曝露した。超音波処理は、反応溶液に直接浸漬されたプローブ型超音波装置UP400S(400W、24kHz)を用いて行った。
食品グレードの蜂蜜は、キャッピング/安定化および還元剤として使用され、水核形成溶液と沈殿したナノ粒子を多様体用途で清潔で安全にします。
超音波処理時間が長くなると、銀ナノ粒子は小さくなり、それらの濃度が増強されます。
蜂蜜水溶液では、超音波処理は銀ナノ粒子の形成に影響を与える重要な要素です。振幅、時間、連続超音波と脈動超音波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を可能にする主要な要因です。

最適な条件で合成されたAg-NPの粒度分布。銀濃度(0.3M)、蜂蜜濃度(20wt%)、超音波照射時間(30分)
写真出典:©Oskuee et al. 2016

銀ナノ粒子の超音波合成の結果

超音波で促進された、蜂蜜媒介合成 超音波装置 UP400Stは、約11.8nmの平均粒子サイズを有する球状銀ナノ粒子(Ag-NP)をもたらした。銀ナノ粒子の超音波合成は、単純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ことで、反応は費用対効果が高く、非常に環境に優しいものになります。
還元剤およびキャッピング剤として蜂蜜を用いた超音波合成の提示された技術は、金、パラジウム、銅などの他の貴金属に拡張することができ、これは医学から産業への様々な追加応用を提供する。

最適な条件で合成されたAg-NPの粒度分布。銀濃度(0.3M)、蜂蜜濃度(20wt%)、超音波照射時間(30分)
研究と写真: ©Oskuee et al. 2016

超音波処理による核生成と粒子サイズへの影響

超音波は、要件に合わせた銀ナノ粒子などのナノ粒子の製造を可能にします。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及ぼします。
初期超音波処理: 過飽和溶液に超音波を短時間印加すると、核の播種と形成を開始できます。超音波処理は初期段階でのみ適用されるため、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ます。
連続超音波処理: 過飽和溶液の連続的な照射は、一時停止されていない超音波処理が多くの核を作り出し、多くの小さな結晶の成長をもたらすので、小さな結晶をもたらす。
パルス超音波処理: パルス超音波とは、決められた間隔で超音波を印加することを意味します。超音波エネルギーの精密に制御された入力は、調整された結晶サイズを得るために結晶成長に影響を与えることを可能にする。

ナノ粒子合成のための高性能超音波装置

ヒールシャー超音波は、ソノ合成やソノ触媒を含む高度なソノケミカルアプリケーション向けに設計された、高出力で信頼性の高い超音波プロセッサを提供しています。超音波混合および分散は、物質移動を著しく増強し、原子クラスターの湿潤を促進し、そしてその後のそれらの核形成を促進し、ナノ粒子の効率的な沈殿をもたらす。超音波合成は、高品質の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、再現性があり、迅速で、安全な方法として認識されています。(ペロブスカイトの音響化学合成についてもっと読む そして ZnOナノ構造!)

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以下の表は、当社の超音波装置のおおよその処理能力を示しています。

ナノ粒子合成の従来の方法とグリーン合成法の比較。