მაგნიტური ნანონაწილაკების სინთეზი: ლაბორატორიიდან წარმოებამდე
მაგნიტური ნანონაწილაკები (MNPs) არის მნიშვნელოვანი კომპონენტი სხვადასხვა სამეცნიერო და სამრეწველო დანიშნულებისთვის, მათ შორის ბიომედიცინური ვიზუალიზაციისთვის, მიმართული წამლის მიწოდებისთვის, კატალიზისთვის და გარემოს რეკულტივაციისთვის. მაგნიტური ნანონაწილაკების თვისებების, როგორიცაა ზომა, ფორმა, მაგნიტური ქცევა და ზედაპირული ფუნქციონირება, ზუსტი კონტროლი აუცილებელია ამ დანიშნულებების სპეციფიკური მოთხოვნების დასაკმაყოფილებლად. ულტრაბგერითი სინთეზი, რომელიც ხორციელდება Hielscher-ის პრობული ტიპის სონიკატორების მეშვეობით, სთავაზობს მრავალფეროვან და მასშტაბირებად მეთოდს მაღალი ხარისხის მაგნიტური ნანონაწილაკების წარმოებისთვის.
ულტრაბგერითი დამუშავება ნანონაწილაკების სინთეზში
ულტრაბგერითი დამუშავება იყენებს მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერით ტალღებს, რათა შექმნას ლოკალიზებული მაღალი ენერგიის ზონები თხევად გარემოში აკუსტიკური კავიტაციის მეშვეობით. ეს ფენომენი წარმოქმნის ინტენსიურ ძვრის ძალებს, მაღალ წნევას და მაღალ ტემპერატურას, რაც ქმნის გარემოს, რომელიც ხელსაყრელია ნანონაწილაკების კონტროლირებადი ნუკლეაციისა და ზრდისთვის. ულტრაბგერითი დამუშავების უპირატესობებს შორისაა ერთგვაროვანი შერევა, გაძლიერებული მასის გადატანა, რეაქციის კინეტიკაზე გავლენის მოხდენისა და ნაწილაკების ფუნქციონალიზების შესაძლებლობა, რაც მას განსაკუთრებით ეფექტურს ხდის ერთგვაროვანი მაგნიტური ნანონაწილაკების სინთეზისთვის.
ინდუსტრიული ულტრაბგერითი პროცესორი UIP16000hdT (16kW) მაგნიტური ნანონაწილაკების მასშტაბური სინთეზისთვის.
მაგნიტური ნანონაწილაკების სინთეზი: ლაბორატორიიდან მასშტაბურ წარმოებამდე
ლაბორატორიული მასშტაბის მაგნიტური ნანონაწილაკების სინთეზი
ლაბორატორიულ პირობებში, Hielscher-ის პრობული ტიპის სონიკატორები ფართოდ გამოიყენება მაგნიტური ნანონაწილაკების სინთეზისთვის თანაშეწონებით დალექვის, თერმული დაშლის ან სოლვოთერმული მეთოდებით. ულტრაბგერითი პარამეტრების, როგორიცაა ამპლიტუდა, ულტრაბგერითი დამუშავების ხანგრძლივობა, იმპულსური რეჟიმი და ტემპერატურა, კონტროლის მეშვეობით, მკვლევრებს შეუძლიათ მიაღწიონ ერთგვაროვან ნაწილაკების ზომებს და ვიწრო ზომის განაწილებას.
მაგალითად, თანაშეწონებით დალექვის მეთოდი მნიშვნელოვნად სარგებლობს ულტრაბგერითი კავიტაციით, რომელიც აძლიერებს რკინის(II) და რკინის(III) პრეკურსორების შერევას ტუტე ხსნარებთან, რის შედეგადაც მიიღება ერთგვაროვნად ნუკლეირებული მაგნეტიტის (Fe₃O₄) ნანონაწილაკები. გარდა ამისა, ულტრაბგერითი დამუშავება ამცირებს რეაქციის დროს და აუმჯობესებს ნანონაწილაკების მაგნიტურ და სტრუქტურულ თვისებებს.
გაიგეთ მეტი ულტრაბგერითი მაგნეტიტის სინთეზის შესახებ!
საპილოტო და სამრეწველო მასშტაბის წარმოება
Hielscher-ის სონიკატორების მასშტაბირებადობა არის კრიტიკული უპირატესობა ლაბორატორიული მასშტაბის კვლევიდან სამრეწველო მასშტაბის წარმოებაზე გადასვლისას. საპილოტო მასშტაბის სისტემებში, უფრო დიდი ულტრაბგერითი პრობები (სონოტროდები) და ნაკადური რეაქტორები საშუალებას იძლევა მაგნიტური ნანონაწილაკების უწყვეტი წარმოებისა მუდმივი ხარისხით. მაღალი წნევის პირობებში მუშაობის და პროცესის პარამეტრების კონტროლის შესაძლებლობა უზრუნველყოფს გამეორებადობას და მასშტაბირებადობას.
სამრეწველო წარმოებისთვის, Hielscher-ის ულტრაბგერითი რეაქტორებს შეუძლიათ დიდი მოცულობის პრეკურსორული ხსნარების დამუშავება, შენარჩუნებული სასურველი ნაწილაკების მახასიათებლებით. ეს მასშტაბირებადობა აუცილებელია იმ დანიშნულებებისთვის, რომლებიც მოითხოვენ მაგნიტური ნანონაწილაკების მასიურ რაოდენობებს, როგორიცაა მაგნიტური სეპარაციის ტექნოლოგიები ან წამლის მიწოდების სისტემები.
კვლევითი მაგალითი: ულტრაბგერითი მაგნიტური ნანონაწილაკების სინთეზი
Ilosvai et al. (2020) შეაერთეს სონოქიმია და წვის პროცესი მაგნიტური ნანონაწილაკების სინთეზისთვის, რკინის(II)-აცეტატის და რკინის(III)-ციტრატის პრეკურსორების გამოყენებით, რომლებიც დისპერსირებული იყო პოლიეთილენგლიკოლში (PEG 400) ულტრაბგერითი ჰომოგენიზაციის მეშვეობით. ეს ნანონაწილაკები ტესტირებული იქნა დნმ-ის სეპარაციისთვის, E. coli-დან მიღებული პლაზმიდური დნმ-ის გამოყენებით. დახასიათების ტექნიკებმა აჩვენა კარგად დისპერსირებული ნანონაწილაკები ჰიდროქსილ-ფუნქციონალიზებული ზედაპირით, რომელიც იდენტიფიცირდა FTIR-ით, და მაგნეტიტის, მაგჰემიტის და ჰემატიტის მაგნიტური ფაზები, რომლებიც დადასტურდა XRD-ით. ნანონაწილაკებმა აჩვენა კარგი დისპერსიულობა წყალში, როგორც მიუთითებს ელექტროკინეტიკური პოტენციალის გაზომვებმა, რაც მათ ხდის შესაფერისს ბიოსეპარაციის დანიშნულებებისთვის.
ულტრაბგერითი მაგნიტური ნანონაწილაკების სინთეზის პროტოკოლი
მაგნიტური ნანონაწილაკები სინთეზირებული იქნა სონოქიმიური წვის მეთოდით ორი სხვადასხვა პრეკურსორის გამოყენებით: რკინის(II) აცეტატი (ნიმუში A1) და რკინის(III) ციტრატი (ნიმუში D1). ორივე ნიმუში ემორჩილებოდა იმავე პროცედურას, განსხვავდებოდა მხოლოდ გამოყენებული პრეკურსორით. ნიმუშისთვის A1, 2 გ რკინის(II) აცეტატი დისპერსირდა 20 გ პოლიეთილენგლიკოლში (PEG 400), ხოლო ნიმუშისთვის D1 გამოყენებულ იქნა 3,47 გ რკინის(III) ციტრატი. დისპერგირება განხორციელდა Hielscher-ის მაღალეფექტური სონიკატორის UIP1000hdT გამოყენებით (იხ. სურათი მარცხნივ).
სონოქიმიური დამუშავების შემდეგ, PEG დაიწვა ბუნზენის სანთურით მაგნიტური რკინის ოქსიდის ნანონაწილაკების მისაღებად.
შედეგები
მიღებული ნანონაწილაკები დამახასიათებელი იქნა XRD, TEM, DLS და FTIR მეთოდებით. სინთეზმა წარმატებით გააერთიანა სონოქიმიური და ანთების ტექნიკები, რამაც მიიღო მაგნიტური ნანონაწილაკები. მნიშვნელოვანია, რომ ნიმუში A1 აღმოჩნდა შესაფერისი დნმ-ის გასაწმენდად და შესთავაზა უფრო ეკონომიური ალტერნატივა არსებულ კომერციულ ვარიანტებთან შედარებით.
ულტრაბგერით სინთეზირებული მაგნიტური ნანონაწილაკების TEM: მარცხნივ: რკინის(II) აცეტატი (ნიმუში A1); მარჯვნივ: რკინის(III) ციტრატი (ნიმუში D1).
კვლევა და სურათი: ©Ilosvai et al. 2020.
ულტრაბგერითი სონიკატორი UP400St მაგნიტური ნანონაწილაკების სონოქიმიური სინთეზისთვის
Hielscher-ის სონიკატორები: ტექნოლოგიური უპირატესობა ნანონაწილაკების სინთეზში
Hielscher Ultrasonics არის ულტრაბგერითი დამუშავების ტექნოლოგიის ლიდერი, რომელიც სთავაზობს პრობის ტიპის სონიკატორებს თითოეული სონიკატორისთვის მაქსიმუმ 16 000 ვატის სიმძლავრით, განკუთვნილია ლაბორატორიული მასშტაბის ექსპერიმენტებიდან ინდუსტრიულ წარმოებამდე მოქცეული გამოყენებებისთვის. ეს მოწყობილობები უზრუნველყოფენ მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერით სიმძლავრეს, ზუსტ ამპლიტუდის კონტროლს და ტემპერატურის მონიტორინგს, რაც მათ იდეალურს ხდის მგრძნობიარე პროცესებისთვის, როგორიცაა მაგნიტური ნანონაწილაკების სინთეზი.
Hielscher-ის სონიკატორების ძირითადი მახასიათებლები მოიცავს:
- ზუსტად რეგულირებადი ამპლიტუდა: უზრუნველყოფს კავიტაციის ინტენსივობის დახვეწას ნანონაწილაკების ოპტიმალური სინთეზისთვის.
- მასშტაბირებადობა: მოდულური დიზაინები საშუალებას აძლევს უწყვეტ გადასვლას მცირე მასშტაბის R&D-დან დიდი მასშტაბის წარმოებაში.
- ინტეგრირებული ტემპერატურული კონტროლი: ხელს უშლის გადახურებას და უზრუნველყოფს სტაბილურ რეაქციის პირობებს.
- გამძლეობა და მრავალფეროვნება: შესაფერისია სხვადასხვა გამხსნელებისა და პრეკურსორული სისტემებისთვის, მათ შორის წყალხსნარებისა და ორგანული ფაზებისთვის.
- სიზუსტე და გამეორებადობა: შედეგების თანმიმდევრულობა პარტიებს შორის უზრუნველყოფს მაგნიტური ნანონაწილაკების თვისებების სანდოობას.
- ენერგოეფექტურობა: ენერგიის ეფექტური გადაცემა ამცირებს ნარჩენებს და ამცირებს წარმოების ხარჯებს.
- კონფიგურაციების ინდივიდუალიზება: მოქნილი დიზაინები ითვალისწინებს რეაქციის მასშტაბებისა და ქიმიის სხვადასხვა დიაპაზონს.
- ეკოლოგიური სისუფთავე: მკაცრი ქიმიკატების მიმართ დამოკიდებულების შემცირება და რეაქციის დროის შემცირება ამცირებს ეკოლოგიურ კვალს.
დიზაინი, წარმოება და კონსულტირება – ხარისხი დამზადებულია გერმანიაში
Hielscher-ის ულტრაბგერითი დამუშავებლები ცნობილია თავიანთი უმაღლესი ხარისხისა და დიზაინის სტანდარტებით. გამძლეობა და მარტივი ექსპლუატაცია საშუალებას იძლევა ჩვენი ულტრაბგერითი დამუშავებლები მარტივად ინტეგრირდეს ინდუსტრიულ ობიექტებში. მკაცრი პირობები და მოთხოვნადი გარემო მარტივად მართვადია Hielscher-ის ულტრაბგერითი დამუშავებლებისთვის.
Hielscher Ultrasonics არის ISO სერტიფიცირებული კომპანია და განსაკუთრებულ ყურადღებას უთმობს მაღალსიმძლავრე ულტრაბგერით დამუშავებლებს, რომლებიც მუშაობენ თანამედროვე ტექნოლოგიებით და მომხმარებლისთვის მოსახერხებელია. რა თქმა უნდა, Hielscher-ის ულტრაბგერითი დამუშავებლები შეესაბამება CE სტანდარტებს და აკმაყოფილებენ UL, CSA და RoHs მოთხოვნებს.
ქვემოთ მოცემული ცხრილი გვიჩვენებთ ჩვენი ულტრაბგერითი დამუშავებლების დაახლოებით დამუშავების სიმძლავრეს:
| პარტიის მოცულობა | მოცულობითი ხარჯი | რეკომენდებული მოწყობილობები |
|---|---|---|
| 0,5 to 1,5mL | n.a. | VialTweeter |
| 1 to 500mL | 10 to 200mL/min | UP100H |
| 10 to 2000mL | 20 to 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 to 20L | 0,2 to 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 to 100L | 2 to 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 to 150L | 3 to 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 to 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | უფრო დიდი | კლასტერი UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics აწარმოებს მაღალსიმძლავრე ულტრაბგერით ჰომოგენიზატორებს შერევის, დისპერგირების, ემულსიფიკაციისა და ექსტრაქციისთვის ლაბორატორიულ, საცდელ და ინდუსტრიულ მასშტაბებში.
ულტრაბგერით სინთეზირებული მაგნიტური ნანონაწილაკების გამოყენება
Hielscher-ის სონიკატორებით სინთეზირებული მაგნიტური ნანონაწილაკების უმაღლესი ხარისხი ზრდის მათ გამოყენების შესაძლებლობას მაღალეფექტური დანიშნულებისთვის:
- ბიომედიცინა: ზუსტად შექმნილი მაგნიტური ნანონაწილაკები აუმჯობესებს მაგნიტურ-რეზონანსული ტომოგრაფიის (MRI) კონტრასტს და უზრუნველყოფს მიმართულ წამლის მიწოდებას.
- კატალიზი: მაღალი ზედაპირის ფართობის მქონე მაგნიტური ნანონაწილაკები მოქმედებენ როგორც ეფექტური კატალიზატორები ქიმიურ რეაქციებში.
- გარემოს მეცნიერება: ფუნქციონალიზებული მაგნიტური ნანონაწილაკები გამოიყენება წყლის დამუშავებისა და მავნე ნივთიერებების მოცილებისთვის.
ლიტერატურა / რეფერატები
- Ilosvai, Á.M.; Szőri-Dorogházi, E.; Prebob, A.; Vanyorek, L. (2020): Synthesis And Characterization Of Magnetic Nanoparticles For Biological Separation Methods. Materials Science and Engineering, Volume 45, No. 1; 2020. 163–170.
- Kis-Csitári, J.; Kónya, Zoltán; Kiricsi, I. (2008): Sonochemical Synthesis of Inorganic Nanoparticles. In book: Functionalized Nanoscale Materials, Devices and Systems, 2008.
- Ilosvai, A.M.; Dojcsak, D.; Váradi, C.; Nagy, M.; Kristály, F.; Fiser, B.; Viskolcz, B.; Vanyorek, L. (2022): Sonochemical Combined Synthesis of Nickel Ferrite and Cobalt Ferrite Magnetic Nanoparticles and Their Application in Glycan Analysis. International Journal of Molecular Sciiences. 2022, 23, 5081.
- L. Cabrera, S. Gutiérrez, P. Herrasti, D. Reyman (2010): Sonoelectrochemical synthesis of magnetite. Physics Procedia Volume 3, Issue 1, 2010. 89-94.
ხშირად დასმული კითხვები
რა არის მაგნიტური ნანონაწილაკები?
მაგნიტური ნანონაწილაკები არის ნანომეტრული ზომის (ჩვეულებრივ 1–100 nm) ნაწილაკები, რომლებიც შედგება მაგნიტური მასალებისგან, როგორიცაა რკინა, კობალტი, ნიკელი ან მათი ოქსიდები (მაგალითად, მაგნეტიტი ან მაგჰემიტი). ამ ნაწილაკებს აქვთ მაგნიტური თვისებები, რომლებიც შეიძლება მართულ იქნას გარე მაგნიტური ველების მიერ. მათი ზომის, სტრუქტურისა და შემადგენლობის მიხედვით, მაგნიტურმა ნანონაწილაკებმა შეიძლება გამოავლინონ სხვადასხვა მაგნიტური ქცევა, როგორიცაა ფერომაგნეტიზმი, ფერიმაგნეტიზმი ან სუპერპარამაგნეტიზმი.
მათი მცირე ზომისა და მაგნიტური თვისებების მართვის შესაძლებლობის გამო, ისინი ფართოდ გამოიყენება, მათ შორის
ბიომედიცინურ, გარემოსდაცვით და სამრეწველო დარგებში.
რა არის სუპერპარამაგნიტური ნანონაწილაკები?
სუპერპარამაგნიტური ნანონაწილაკები არის ნანომეტრული ზომის ნაწილაკები (ჩვეულებრივ 50 nm-ზე ნაკლები), რომლებიც დამზადებულია მაგნიტური მასალებისგან, როგორიცაა რკინის ოქსიდი (მაგალითად, მაგნეტიტი ან მაგჰემიტი). ისინი ავლენენ მაგნიტურ ქცევას მხოლოდ გარე მაგნიტური ველის არსებობისას და კარგავენ მაგნიტიზმს ველის მოცილებისას. ეს ხდება იმის გამო, რომ ასეთი მცირე ზომის პირობებში თერმული ენერგია ხელს უშლის ნაწილაკებს მუდმივი მაგნიტური მომენტის შენარჩუნებაში, რითაც თავიდან იცილებს აგრეგაციას.
ეს თვისებები მათ ძალიან სასარგებლოდ აქცევს ბიომედიცინურ გამოყენებებში, როგორიცაა მიმართული წამლის მიწოდება, მაგნიტურ-რეზონანსული ტომოგრაფია (MRI) და ჰიპერთერმიის თერაპია, ასევე გარემოსდაცვით და სამრეწველო გამოყენებებში.
რა განსხვავებაა ფერომაგნეტიზმს, ფერიმაგნეტიზმსა და სუპერპარამაგნეტიზმს შორის?
ფერომაგნეტიზმი წარმოიქმნება, როდესაც მასალაში მაგნიტური მომენტები ძლიერი გაცვლითი ურთიერთქმედებების გამო ერთმანეთის პარალელურად განლაგდება, რაც იწვევს დიდ ჯამურ დამაგნიტებას გარე მაგნიტური ველის არარსებობის დროსაც კი.
ფერიმაგნეტიზმი ასევე გულისხმობს მოწესრიგებულ მაგნიტურ მომენტებს, მაგრამ ისინი საპირისპირო მიმართულებით არის განლაგებული და არათანაბარი სიდიდეები აქვთ, რაც იწვევს ჯამურ დამაგნიტებას.
სუპერპარამაგნეტიზმი შეინიშნება ძალიან მცირე ნანონაწილაკებში და წარმოიქმნება, როდესაც თერმული ენერგია არღვევს მაგნიტურ მოწესრიგებას, რის შედეგადაც მაგნიტური მომენტები ქაოტურად იცვლება; თუმცა, გარე მაგნიტური ველის პირობებში მომენტები ველის მიმართულებით განლაგდება, რაც იწვევს ძლიერ მაგნიტურ პასუხს.
რომელი ნანონაწილაკები ხშირად სინთეზირდება სონოქიმიურად?
სონოქიმიური სინთეზი ფართოდ გამოიყენება სხვადასხვა ნანონაწილაკის მისაღებად, რადგან აკუსტიკური კავიტაციის გზით შეუძლია ლოკალურად წარმოქმნას მაღალი ტემპერატურა, მაღალი წნევა და რეაქციისუნარიანი ნაწილაკები. ხშირად სინთეზირებული ნანონაწილაკები მოიცავს მეტალის ნანონაწილაკებს, მეტალის ოქსიდის ნანონაწილაკებს, ქალკოგენიდების ნანონაწილაკებს, პეროვსკიტის ნანონაწილაკებს, პოლიმერულ ნანონაწილაკებს და ნახშირბადზე დაფუძნებულ ნანომასალებს.
იპოვეთ მეტი ინფორმაცია ულტრაბგერითი სინთეზისა და პროტოკოლების შესახებ რამდენიმე შერჩეული ნანონაწილაკისა და ნანოსტრუქტურის შესახებ აქ:
Hielscher Ultrasonics აწარმოებს მაღალეფექტურ ულტრაბგერით ჰომოგენიზატორებს ლაბორატორიული დან სამრეწველო ზომამდე.