ოქროს ნანონაწილაკების ეფექტური და კონტროლირებადი სინთეზი

ერთგვაროვანი ფორმისა და მორფოლოგიის ოქროს ნანონაწილაკები შეიძლება ეფექტურად სინთეზირდეს სონოქიმიური გზით. ულტრაბგერით გააქტიურებული ოქროს ნანონაწილაკების სინთეზის ქიმიური რეაქცია შეიძლება ზუსტად გაკონტროლდეს ნაწილაკების ზომის, ფორმისა (მაგ., ნანოსფეროები, ნანოჩხირები, ნანოლენტები და ა.შ.) და მორფოლოგიის თვალსაზრისით. ეფექტური, მარტივი, სწრაფი და „მწვანე“ ქიმიური პროცედურა უზრუნველყოფს ოქროს ნანოსტრუქტურების საიმედო წარმოებას სამრეწველო მასშტაბით.

ოქროს ნანონაწილაკები და ნანოსტრუქტურები

ოქროს ნანონაწილაკები და ნანოზომის სტრუქტურები ფართოდ გამოიყენება R&D-სა და სამრეწველო პროცესებში ნანოზომის ოქროს უნიკალური თვისებების გამო, რომელთა შორისაა ელექტრონული, მაგნიტური და ოპტიკური მახასიათებლები, კვანტური ზომითი ეფექტები, ზედაპირული პლაზმონური რეზონანსი, მაღალი კატალიზური აქტივობა, თვითორგანიზაცია და სხვა თვისებები. ოქროს ნანონაწილაკების (Au-NPs) გამოყენების სფეროები მოიცავს კატალიზატორად გამოყენებას, ნანოელექტრონული მოწყობილობების წარმოებას, გამოსახულების მიღებას, ნანოფოტონიკას, ნანომაგნიტიზმს, ბიოსენსორებს, ქიმიურ სენსორებს, ოპტიკურ და თერანოსტიკურ გამოყენებებს, წამლის მიწოდებასა და სხვა დანიშნულებას.

ოქროს ნანონაწილაკების სინთეზის მეთოდები

ნანოსტრუქტურული ოქროს ნაწილაკები შეიძლება სინთეზირდეს სხვადასხვა გზით მაღალი წარმადობის ულტრაბგერითი დამუშავების გამოყენებით. ულტრაბგერითი დამუშავება არა მხოლოდ მარტივი, ეფექტური და საიმედო ტექნიკაა, არამედ ქმნის პირობებს ოქროს იონების ქიმიური აღდგენისთვის ტოქსიკური ან აგრესიული ქიმიური აგენტების გარეშე და შესაძლებელს ხდის სხვადასხვა მორფოლოგიის კეთილშობილი ლითონის ნანონაწილაკების წარმოქმნას. გზისა და სონოქიმიური დამუშავების (ასევე ცნობილი როგორც სონოსინთეზი) არჩევანი შესაძლებელს ხდის ერთგვაროვანი ზომისა და მორფოლოგიის ოქროს ნანოსტრუქტურების, მაგალითად, ოქროს ნანოსფეროების, ნანოჩხირებისა და ნანოლენტების წარმოებას.
ქვემოთ შეგიძლიათ იხილოთ შერჩეული სონოქიმიური გზები ოქროს ნანონაწილაკების მოსამზადებლად.

ულტრაბგერით გაუმჯობესებული Turkevich-ის მეთოდი

ულტრაბგერითი დამუშავება გამოიყენება Turkevich-ის ციტრატული აღდგენის რეაქციის, ასევე მოდიფიცირებული Turkevich-ის პროცედურების გასაძლიერებლად.
Turkevich-ის მეთოდით მიიღება ზომიერად მონოდისპერსიული სფერული ოქროს ნანონაწილაკები დაახლოებით 10–20nm დიამეტრით. შესაძლებელია უფრო დიდი ნაწილაკების წარმოებაც, მაგრამ მონოდისპერსიულობისა და ფორმის ხარჯზე. ამ მეთოდში ცხელ ქლოროქროს მჟავას ამუშავებენ ნატრიუმის ციტრატის ხსნარით, რის შედეგადაც მიიღება კოლოიდური ოქრო. Turkevich-ის რეაქცია მიმდინარეობს შუალედური ოქროს ნანომავთულების წარმოქმნით. სწორედ ეს ოქროს ნანომავთულები განაპირობებს რეაქციის ხსნარის მუქ შეფერილობას, სანამ ის ლალისფერ-წითელი გახდება.
Fuentes-García et al. (2020), რომლებმაც სონოქიმიურად სინთეზირეს ოქროს ნანონაწილაკები, აცხადებენ, რომ შესაძლებელია მაღალი შთანთქმის ურთიერთქმედების მქონე ოქროს ნანონაწილაკების წარმოება ულტრაბგერის, როგორც ენერგიის ერთადერთი წყაროს, გამოყენებით, რაც ამცირებს ლაბორატორიულ მოთხოვნებს და შესაძლებელს ხდის თვისებების კონტროლს მარტივი პარამეტრების შეცვლით.
Lee et al. (2012) აჩვენეს, რომ ულტრაბგერითი ენერგია გადამწყვეტი პარამეტრია სფერული ოქროს ნანონაწილაკების (AuNPs) წარმოებისთვის, რომელთა ზომის რეგულირება შესაძლებელია 20-დან 50 nm-მდე. ნატრიუმის ციტრატით აღდგენის გზით სონოსინთეზი წარმოქმნის მონოდისპერსიულ სფერულ ოქროს ნანონაწილაკებს წყალხსნარში ატმოსფერულ პირობებში.

Turkevich-Frens-ის მეთოდი ულტრაბგერის გამოყენებით

ზემოთ აღწერილი რეაქციული გზის მოდიფიკაციაა Turkevich-Frens-ის მეთოდი, რომელიც ოქროს ნანონაწილაკების სინთეზის მარტივი მრავალსაფეხურიანი პროცესია. ულტრაბგერითი დამუშავება ხელს უწყობს Turkevich-Frens-ის რეაქციის მიმდინარეობას ისევე, როგორც Turkevich-ის მეთოდის შემთხვევაში. Turkevich-Frens-ის მრავალსაფეხურიანი პროცესის საწყისი ეტაპი, რომელშიც რეაქციები თანმიმდევრულად და პარალელურად მიმდინარეობს, არის ციტრატის ჟანგვა, რომლის შედეგადაც მიიღება დიკარბოქსიაცეტონი. შემდეგ ოქროს (III) მარილის აღდგენით მიიღება ოქროს (I) მარილი და Au⁰, და ოქროს (I) მარილი აგროვდება Au⁰ ატომებზე AuNP-ის წარმოსაქმნელად (იხ. სქემა ქვემოთ).
 

ოქროს ნანონაწილაკების სინთეზი ტურკევიჩის მეთოდით.
სქემა და კვლევა: ©Zhao et al., 2013

ეს ნიშნავს, რომ ციტრატის ჟანგვის შედეგად მიღებული დიკარბოქსიაცეტონი, და არა თავად ციტრატი, მოქმედებს როგორც AuNP-ის რეალური სტაბილიზატორი ტურკევიჩ-ფრენსის რეაქციაში. ციტრატის მარილი დამატებით ცვლის სისტემის pH-ს, რაც გავლენას ახდენს ოქროს ნანონაწილაკების (AuNPs) ზომასა და ზომების განაწილებაზე. ტურკევიჩ-ფრენსის რეაქციის ეს პირობები იძლევა თითქმის მონოდისპერსიულ ოქროს ნანონაწილაკებს, რომელთა ზომა 20-დან 40nm-მდეა. ნაწილაკების ზუსტი ზომა შეიძლება შეიცვალოს ხსნარის pH-ისა და ულტრაბგერითი პარამეტრების ცვლილებით. ციტრატით სტაბილიზებული AuNPs-ის ზომა ყოველთვის აღემატება 10 nm-ს ტრინატრიუმის ციტრატის დიჰიდრატის შეზღუდული აღდგენითი უნარის გამო. თუმცა, D₂O-ს გამოყენება გამხსნელად H2O-ს ნაცვლად AuNPs-ის სინთეზის დროს საშუალებას იძლევა სინთეზირდეს AuNPs 5 nm ნაწილაკების ზომით. რადგან D2O-ს დამატება ზრდის ციტრატის აღდგენით ძალას, D2O-სა და C₆H₉Na₃O₉კომბინაცია. (იხ. Zhao et al., 2013)

სონოქიმიური ტურკევიჩ-ფრენსის მარშრუტის პროტოკოლი

ტურკევიჩ-ფრენსის მეთოდით ოქროს ნანონაწილაკების აღმავალი პრინციპით სინთეზისთვის 50mL ქლოროქროს მჟავას (HAuCl₄), 0,025 mM კონცენტრაციით, ასხამენ 100 mL მინის ჭიქაში, რომელშიც ამატებენ ტრინატრიუმის ციტრატის 1,5% (w/v) წყალხსნარის 1 mL-ს (Na₃Ct) ულტრაბგერითი დამუშავების პირობებში ოთახის ტემპერატურაზე. ულტრაბგერითი დამუშავება ჩატარდა 60W, 150W და 210W სიმძლავრეზე. ნიმუშებში გამოყენებული Na₃Ct/HAuCl₄ შეფარდება არის 3:1 (w/v). ულტრაბგერითი დამუშავების შემდეგ კოლოიდურ ხსნარებს სხვადასხვა ფერი ჰქონდა: 60 W სიმძლავრეზე დამუშავებული ნიმუში იისფერი იყო, ხოლო 150 და 210 W სიმძლავრეზე დამუშავებული ნიმუშები – ლალისფერ-წითელი. სტრუქტურული დახასიათების შედეგების თანახმად, ულტრაბგერითი დამუშავების სიმძლავრის გაზრდით მიიღებოდა ოქროს ნანონაწილაკების უფრო მცირე ზომის და უფრო სფერული კლასტერები. Fuentes-García et al. (2021) თავიანთ კვლევებში აჩვენებენ ულტრაბგერითი დამუშავების გაძლიერების მნიშვნელოვან გავლენას სონოქიმიურად სინთეზირებული ოქროს ნანონაწილაკების ზომაზე, მრავალწახნაგოვან სტრუქტურაზე, ოპტიკურ თვისებებსა და მათი წარმოქმნის რეაქციის კინეტიკაზე. სათანადოდ შერჩეული სონოქიმიური პროცედურით შესაძლებელია როგორც 16nm, ისე 12nm ზომის ოქროს ნანონაწილაკების მიღება. (Fuentes-García et al., 2021)

(a,b) TEM სურათი (მასშტაბი 50 nm) და (c) იმ AuNPs-ის ზომების განაწილება, რომლებიც სინთეზირებულია
ულტრაბგერითი სიმძლავრით 17,9 Wcm2.
სურათი და კვლევა: © Dheyab et al., 2020.

ოქროს ნანონაწილაკების სონოლიზი

ოქროს ნაწილაკების ექსპერიმენტული წარმოქმნის კიდევ ერთი მეთოდია სონოლიზი, სადაც ულტრაბგერა გამოიყენება 10 nm-ზე ნაკლები დიამეტრის მქონე ოქროს ნაწილაკების სინთეზისთვის. რეაგენტების მიხედვით, სონოლიზური რეაქცია შეიძლება ჩატარდეს სხვადასხვა გზით. მაგალითად, HAuCl₄ -ის წყალხსნარის გლუკოზის თანაობისას ულტრაბგერითი დამუშავების დროს ჰიდროქსილის რადიკალები და შაქრის პიროლიზის რადიკალები აღმდგენ აგენტებად მოქმედებს. ეს რადიკალები წარმოიქმნება ინტენსიური ულტრაბგერით შექმნილ კოლაფსირებად ღრუებსა და წყლის ძირითად მოცულობას შორის გამყოფ ზედაპირზე. ოქროს ნანოსტრუქტურებს აქვს 30–50 nm სიგანისა და რამდენიმე მიკრომეტრი სიგრძის ნანოლენტების ფორმა. ეს ლენტები ძალიან მოქნილია და შეიძლება მოიხაროს 90°-ზე მეტი კუთხით. როდესაც გლუკოზას ციკლოდექსტრინით, გლუკოზის ოლიგომერით, ცვლიან, მიიღება მხოლოდ სფერული ოქროს ნაწილაკები, რაც მიუთითებს, რომ გლუკოზა აუცილებელია ლენტის ფორმის მორფოლოგიის მისაღებად.

ნანოოქროს სონოქიმიური სინთეზის პროტოკოლის მაგალითი

ციტრატით დაფარული AuNPs-ის სინთეზისთვის გამოყენებული წინამორბედი მასალებია HAuCl4, ნატრიუმის ციტრატი და გამოხდილი წყალი. ნიმუშის მოსამზადებლად პირველ ეტაპზე HAuCl4 გახსნეს გამოხდილ წყალში 0,03 M კონცენტრაციის მისაღებად. შემდეგ HAuCl4-ის ხსნარი (2 mL) წვეთწვეთობით დაამატეს ნატრიუმის ციტრატის 0,03 M წყალხსნარის 20 mL-ს. შერევის ეტაპზე ხსნარში 5 min-ის განმავლობაში მოათავსეს მაღალი სიმკვრივის ულტრაბგერითი ზონდი (20 kHz) სონოტროდით, ულტრაბგერითი დამუშავების სიმძლავრით 17,9 W·cm²
(იხ. Dhabey et al. 2020)

ოქროს ნანოლენტების სინთეზი ულტრაბგერითი დამუშავების გამოყენებით

მონოკრისტალური ნანოლენტები (იხ. TEM სურათი მარცხნივ) შეიძლება სინთეზირდეს HAuCl4-ის წყალხსნარის ულტრაბგერითი დამუშავებით α-D-გლუკოზის, როგორც რეაგენტის, თანაობისას. სონოქიმიურად სინთეზირებული ოქროს ნანოლენტების საშუალო სიგანე 30-დან 50 nm-მდეა, სიგრძე კი რამდენიმე მიკრომეტრს შეადგენს. ოქროს ნანოლენტების წარმოების ულტრაბგერითი რეაქცია მარტივი და სწრაფია და არ საჭიროებს ტოქსიკური ნივთიერებების გამოყენებას. (იხ. Zhang et al, 2006)

სურფაქტანტები ოქროს ნანონაწილაკების სონოქიმიურ სინთეზზე ზემოქმედებისთვის

ქიმიურ რეაქციებში ინტენსიური ულტრაბგერის გამოყენება იწყებს და აჩქარებს გარდაქმნას და ზრდის გამოსავლიანობას. ნაწილაკების ერთგვაროვანი ზომისა და გარკვეული მიზნობრივი ფორმების / მორფოლოგიის მისაღებად ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების შერჩევა კრიტიკული ფაქტორია. სპირტების დამატება ასევე ხელს უწყობს ნაწილაკების ფორმისა და ზომის კონტროლს. მაგალითად, α-D-გლუკოზის თანაობისას ძირითადი რეაქციები HAuCl₄ წყალხსნარის სონოლიზის პროცესში, როგორც ეს ნაჩვენებია შემდეგ განტოლებებში (1-4):
(1) H₂ O –> H∙ + OH∙
(2) შაქარი –> პიროლიზის რადიკალები
(3) AIII + შემამცირებელი რადიკალები –> Au⁰
(4) nAu⁰ –> AuNP (ნანოსაბრები)
(იხ. Zhao et al., 2014)

ზონდური ტიპის ულტრაბგერითი პროცესორების სიმძლავრე


ულტრაბგერითი ზონდები ან სონოტროდები (ასევე ცნობილი როგორც ულტრაბგერითი რქები) ქიმიურ ხსნარებს მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერასა და აკუსტიკურ კავიტაციას მკვეთრად ფოკუსირებული სახით გადასცემენ. მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერის ეს ზუსტად კონტროლირებადი და ეფექტური გადაცემა ქმნის საიმედო, ზუსტად კონტროლირებად და რეპროდუცირებად პირობებს, რომლებშიც შესაძლებელია ქიმიური რეაქციების გზების ინიცირება, გაძლიერება და შეცვლა. ამის საპირისპიროდ, ულტრაბგერითი აბაზანა (ასევე ცნობილი როგორც ულტრაბგერითი საწმენდი მოწყობილობა ან ავზი) სითხის დიდ მოცულობას გადასცემს ულტრაბგერას სიმძლავრის ძალიან დაბალი სიმკვრივითა და შემთხვევით წარმოქმნილი კავიტაციის კერებით. ეს ულტრაბგერით აბაზანებს ნებისმიერი სონოქიმიური რეაქციისთვის არასაიმედოს ხდის.
“ულტრაბგერითი საწმენდი აბაზანების სიმძლავრის სიმკვრივე ულტრაბგერითი რქით მიღებული სიმძლავრის სიმკვრივის მხოლოდ მცირე პროცენტს შეადგენს. სონოქიმიაში საწმენდი აბაზანების გამოყენება შეზღუდულია, რადგან ნაწილაკების ზომისა და მორფოლოგიის სრული ერთგვაროვნება ყოველთვის არ მიიღწევა. ეს განპირობებულია ულტრაბგერის ფიზიკური ზემოქმედებით ნუკლეაციისა და ზრდის პროცესებზე.” (González-Mendoza et al. 2015)

მაღალი წარმადობის ულტრაბგერითი პროცესორები ოქროს ნანონაწილაკების სინთეზისთვის

Hielscher Ultrasonics აწვდის მძლავრ და საიმედო ულტრაბგერით პროცესორებს ისეთი ნანონაწილაკების სონოქიმიური სინთეზისთვის (სონოსინთეზისთვის), როგორიცაა ოქროსა და სხვა კეთილშობილი ლითონების ნანოსტრუქტურები. ულტრაბგერითი აღრევა და დისპერგირება ზრდის მასის გადატანას ჰეტეროგენულ სისტემებში და ხელს უწყობს ატომური კლასტერების დასველებასა და შემდგომ ნუკლეაციას ნანონაწილაკების დასალექად. ნანონაწილაკების ულტრაბგერითი სინთეზი არის მარტივი, ეკონომიურად მომგებიანი, ბიოშეთავსებადი, რეპროდუცირებადი, სწრაფი და უსაფრთხო მეთოდი.
Hielscher Ultrasonics აწვდის მძლავრ და ზუსტად კონტროლირებად ულტრაბგერით პროცესორებს ნანოზომის სტრუქტურების ფორმირებისთვის, როგორიცაა ნანოსფეროები, ნანოჩხირები, ნანოლენტები, ნანოზოლები, ნანოკლასტერები, ბირთვი–გარსის სტრუქტურის ნაწილაკები და ა.შ.
გაიგეთ მეტი ბროკოლის მონაწილეობით ოქროს ნანონაწილაკების ულტრაბგერითი სინთეზისა და ბიოგენურ წამლებად მათი გამოყენების შესახებ!
გაიგეთ მეტი მაგნიტური ნანონაწილაკების ულტრაბგერითი სინთეზის შესახებ!
ჩვენი მომხმარებლები აფასებენ Hielscher-ის ციფრული მოწყობილობების სმარტ ფუნქციებს. ეს მოწყობილობები აღჭურვილია ინტელექტუალური პროგრამული უზრუნველყოფით, ფერადი სენსორული ეკრანით, ჩაშენებულ SD-ბარათზე მონაცემთა ავტომატური ჩაწერის ფუნქციითა და ინტუიციური მენიუთი მოსახერხებელი და უსაფრთხო ექსპლუატაციისთვის.
Hielscher-ის მოწყობილობები მოიცავს სიმძლავრის სრულ დიაპაზონს – ლაბორატორიისთვის განკუთვნილი 50 ვატიანი ხელის ულტრაბგერითი პროცესორებიდან 16,000 ვატიან მძლავრ სამრეწველო ულტრაბგერით სისტემებამდე. Hielscher-ს აქვს იდეალური ულტრაბგერითი კონფიგურაცია თქვენი ამოცანისთვის. გამჭოლნაკადიან რეაქტორებში პერიოდული და უწყვეტი წარმოებისთვის განკუთვნილი სონოქიმიური დანადგარები ხელმისაწვდომია როგორც ლაბორატორიულ მაგიდაზე დასადგმელი ზომებით, ისე სამრეწველო მასშტაბით. Hielscher-ის სონიკატორების გამძლეობა უზრუნველყოფს 24/7 ექსპლუატაციას მძიმე დატვირთვისა და რთული გარემო პირობებში.

ქვემოთ მოცემული ცხრილი წარმოდგენას გაძლევთ ჩვენი ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორების დამუშავების სავარაუდო წარმადობაზე: