ნანო-ვერცხლის სინთეზი თაფლითა და ულტრაბგერითი დამუშავებით

ნანო-ვერცხლი გამოიყენება მისი ანტიბაქტერიული თვისებების გამო მასალების გასაუმჯობესებლად მედიცინასა და მასალათმცოდნეობაში. ულტრაბგერითი დამუშავება წყალში ვერცხლის სფერული ნანონაწილაკების სწრაფი, ეფექტური, უსაფრთხო და ეკოლოგიურად სუფთა სინთეზის საშუალებას იძლევა. ნანონაწილაკების ულტრაბგერითი სინთეზი მარტივად მასშტაბირდება მცირე წარმოებიდან მსხვილ წარმოებამდე.

კოლოიდური ნანო-ვერცხლის ულტრაბგერითი დახმარებით სინთეზი

სონოქიმიური სინთეზი, რომელიც გულისხმობს ულტრაბგერითი გამოსხივებით ხელშეწყობილ ქიმიურ რეაქციებს, ფართოდ გამოყენებული მეთოდია ნანონაწილაკების წარმოებისთვის. მათ შორის არის ვერცხლი, ოქრო, მაგნეტიტი, ჰიდროქსილაპატიტი, პეროვსკიტი, ლატექსი და ბევრი სხვა ნანომასალა.

ულტრაბგერითი თხევადქიმიური სინთეზი

ვერცხლის ნანონაწილაკების წარმოებისთვის შემუშავებულია ულტრაბგერითი დახმარებით სინთეზის მრავალი გზა. ერთ-ერთი გამორჩეული მეთოდი იყენებს თაფლს როგორც აღმდგენ, ისე ნაწილაკების ზედაპირის დამფარავ აგენტად. თაფლის კომპონენტები, როგორიცაა გლუკოზა და ფრუქტოზა, სინთეზის პროცესში ამ როლებში სინერგიულად მოქმედებენ.
ბევრი ნანონაწილაკების სინთეზის ტექნიკის მსგავსად, ულტრაბგერითი ნანო-ვერცხლის სინთეზი ეკუთვნის თხევად ქიმიას. პროცესი იწყება ვერცხლის ნანონაწილაკების ნუკლეაციით ხსნარში. ულტრაბგერითი დამუშავების დროს, ვერცხლის პრეკურსორი (მაგ., ვერცხლის ნიტრატი (AgNO₃), ან ვერცხლის პერქლორატი (AgClO₄)) აღდგება აღმდგენი აგენტის, მაგალითად თაფლის, არსებობისას, რათა მივიღოთ კოლოიდური ვერცხლი.

ულტრაბგერითი ვერცხლის ნუკლეაციისა და ზრდის მექანიზმი

საწყისი ნუკლეაციის ფაზა: როდესაც გახსნილი ვერცხლის იონების კონცენტრაცია იზრდება, მეტალური ვერცხლის იონები იწყებენ შეკავშირებას მცირე კლასტერების წარმოქმნისთვის. ამ ეტაპზე, ეს კლასტერები ენერგეტიკულად არასტაბილურია უარყოფითი ენერგეტიკული ბალანსის გამო. ახალი ზედაპირების შესაქმნელად საჭირო ენერგია აღემატება გახსნილი ვერცხლის კონცენტრაციის შემცირებით მიღებულ ენერგიას.

• კრიტიკული რადიუსი: როდესაც კლასტერი აღწევს კონკრეტულ ზომას (კრიტიკული რადიუსი), პროცესი ხდება ენერგეტიკულად ხელსაყრელი, რაც ასტაბილურებს კლასტერს. ეს სტაბილურობა საშუალებას აძლევს კლასტერს იმოქმედოს როგორც ბირთვი შემდგომი ზრდისთვის.
• ზრდის ფაზა: ზრდის დროს, დამატებითი ვერცხლის ატომები დიფუზიას ახდენენ ხსნარში და უკავშირდებიან მზარდი ნანონაწილაკის ზედაპირს. ზრდა გრძელდება მანამ, სანამ გახსნილი ვერცხლის კონცენტრაცია არ ჩამოვარდება ნუკლეაციის ზღვარს ქვემოთ, რაც აჩერებს ახალი ბირთვების წარმოქმნას.
• დიფუზია და დასრულება: დარჩენილი გახსნილი ვერცხლი ერთვება არსებულ ნანონაწილაკებში, რითაც პროცესი სრულდება.

ულტრაბგერითი დამუშავება აჩქარებს მასის გადატანას, განსაკუთრებით დასველებისა და დიფუზიის პროცესებს, რაც იწვევს უფრო სწრაფ ნუკლეაციასა და კონტროლირებად ზრდას. ულტრაბგერითი დამუშავების პარამეტრების, როგორიცაა ინტენსივობა და ხანგრძლივობა, ზუსტი კორექტირებით შესაძლებელია ნანონაწილაკების ზომის, ზრდის სიჩქარისა და ფორმის ზუსტი რეგულირება. ეს ზუსტი კონტროლი უზრუნველყოფს კონკრეტული გამოყენებისთვის მორგებული ნანონაწილაკების ერთგვაროვან სტრუქტურებს.

ულტრაბგერითი დახმარებით სინთეზი გამოირჩევა, როგორც ეფექტური, მასშტაბირებადი და მწვანე ქიმიის მიდგომა ნანო-ვერცხლის წარმოებისთვის, რომელსაც აქვს კარგად განსაზღვრული თვისებები, რაც მნიშვნელოვან უპირატესობებს სთავაზობს სხვადასხვა გამოყენებებს კვლევასა და მრეწველობაში.

დააწკაპუნეთ აქ, რათა მეტი გაიგოთ კიდევ ერთი მწვანე მეთოდის შესახებ, რომლითაც კარაგენანის გამოყენებით ულტრაბგერითად სინთეზდება ნანო-ვერცხლი!

ულტრაბგერითი დამუშავება ხელს უწყობს მცირე ვერცხლის ნანონაწილაკების სწრაფ, მწვანე სინთეზს ვიწრო ზომის განაწილებით.

ნანო-ვერცხლის ულტრაბგერითი სინთეზის კონკრეტული შემთხვევის შესწავლა

Oskuee et al. (2016)-ის კვლევა სახელწოდებით „თაფლის საფუძველზე და ულტრაბგერითი დახმარებით ვერცხლის ნანონაწილაკების სინთეზი და მათი ანტიბაქტერიული აქტივობა“ იკვლევს ვერცხლის ნანონაწილაკების (Ag-NPs) სინთეზის მარტივ და ეკოლოგიურად სუფთა მეთოდს, სადაც ბუნებრივი თაფლი გამოიყენება როგორც აღმდგენი, ისე სტაბილიზატორი. პროცესი, რომელიც მოიცავს ვერცხლის ნიტრატის (AgNO₃) აღდგენას ულტრაბგერითი გამოსხივების პირობებში, ხასიათდება სხვადასხვა პარამეტრით, მათ შორის ვერცხლის იონების კონცენტრაციით, თაფლის კონცენტრაციით და ულტრაბგერითი დამუშავების დროით. მიღებული Ag-NPs-ის საშუალო ზომა დაახლოებით 11,8 nm-ია და მათ აქვთ ანტიბაქტერიული თვისებები ისეთი პათოგენური ბაქტერიების მიმართ, როგორიცაა Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa და E. coli.
კვლევა ხაზს უსვამს თაფლის გამოყენების სარგებელს ნანონაწილაკების სინთეზში, აღნიშნავს მის მწვანე, იაფ და არატოქსიკურ ბუნებას. ავტორები აჩვენებენ, რომ Ag-NPs-ს ზომა და გამოსავლიანობა შეიძლება კონტროლდებოდეს რეაქციის პარამეტრების, როგორიცაა ვერცხლის კონცენტრაცია, თაფლის შემცველობა და ულტრაბგერითი დამუშავების ხანგრძლივობა, კორექტირებით. სინთეზირებული Ag-NPs აჩვენა ეფექტური ანტიბაქტერიული აქტივობა, განსაკუთრებით E. coli-სა და S. aureus-ის მიმართ, დაახლოებით 19,46 ppm მინიმალური ინჰიბიტორული კონცენტრაციით (MIC). ეს მეთოდი წარმოადგენს Ag-NPs-ს პოტენციურ გამოყენებას სამედიცინო სფეროებში, მათ შორის ჭრილობების შეხორცებაში და ინფექციების კონტროლში.

• მასალები: ვერცხლის ნიტრატი (AgNO₃) როგორც ვერცხლის პრეკურსორი; თაფლი როგორც ზედაპირის დამფარავი / აღმდგენი აგენტი; წყალი
• ულტრაბგერითი მოწყობილობა: ზონდური ტიპის სონიკატორი UP400St

ულტრაბგერითი სინთეზის პროტოკოლი

კოლოიდური ვერცხლის ნანონაწილაკების სინთეზისთვის საუკეთესო პირობებად დადგინდა შემდეგი: ვერცხლის ნიტრატის აღდგენა ულტრაბგერითი დამუშავების პირობებში, ბუნებრივი თაფლის მეშვეობით. მოკლედ, ვერცხლის ნიტრატის ხსნარის (0,3 M) 20 ml, რომელიც შეიცავდა თაფლს (20 wt%), ექვემდებარებოდა მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერით გამოსხივებას გარემო პირობებში 30 min-ის განმავლობაში. ულტრაბგერითი დამუშავება ხორციელდებოდა ზონდური ტიპის ულტრაბგერითი აპარატით UP400S (400W, 24 kHz), რომელიც პირდაპირ იყო ჩაშვებული რეაქციის ხსნარში.
სურსათისთვის ვარგისი თაფლი გამოიყენება როგორც ზედაპირის დამფარავი / მასტაბილიზებელი და აღმდგენი აგენტი, რაც ნუკლეაციის წყალხსნარსა და დალექილ ნანონაწილაკებს სუფთასა და უსაფრთხოს ხდის მრავალგვარი გამოყენებისთვის.
როგორც ულტრაბგერითი დამუშავების დრო იზრდება, ვერცხლის ნანონაწილაკები ხდება უფრო მცირე და მათი კონცენტრაცია იზრდება.
თაფლის წყალხსნარში ულტრაბგერითი დამუშავება არის გადამწყვეტი ფაქტორი, რომელიც გავლენას ახდენს ვერცხლის ნანონაწილაკების წარმოქმნაზე. ულტრაბგერითი დამუშავების პარამეტრები, როგორიცაა ამპლიტუდა, დრო და ულტრაბგერის უწყვეტი ან იმპულსური რეჟიმი, არის მთავარი ფაქტორები, რომლებიც ვერცხლის ნანონაწილაკების ზომისა და რაოდენობის კონტროლის საშუალებას იძლევა.

Ag-NPs-ს ნაწილაკების ზომის განაწილება ოპტიმალურ პირობებში სინთეზისას; ვერცხლის კონცენტრაციები (0,3 M), თაფლის კონცენტრაციები (20 wt%) და ულტრაბგერითი გამოსხივების დროები (30 წთ)
სურათის წყარო: ©Oskuee et al. 2016

ვერცხლის ნანონაწილაკების ულტრაბგერითი სინთეზის შედეგი

ულტრაბგერით ხელშეწყობილმა, თაფლის მონაწილეობით მიმდინარე სინთეზმა სონიკატორით UP400St წარმოქმნა ვერცხლის სფერული ნანონაწილაკები (Ag-NPs), რომელთა საშუალო ზომა დაახლოებით 11,8nm იყო. ვერცხლის ნანონაწილაკების ულტრაბგერითი სინთეზი მარტივი და სწრაფი მეთოდია, რომელიც ერთ რეაქციულ ჭურჭელში მიმდინარეობს. წყლისა და თაფლის მასალებად გამოყენება რეაქციას ეკონომიურსა და განსაკუთრებით ეკოლოგიურად სუფთას ხდის.
წარმოდგენილი ულტრაბგერითი სინთეზის ტექნიკა, რომელშიც თაფლი გამოიყენება როგორც აღმდგენი და ზედაპირის დამფარავი აგენტი, შეიძლება გავრცელდეს სხვა კეთილშობილ ლითონებზე, როგორიცაა ოქრო, პალადიუმი და სპილენძი, რაც მრავალ დამატებით გამოყენების შესაძლებლობას იძლევა მედიცინიდან მრეწველობამდე.

Ag-NPs-ს ნაწილაკების ზომის განაწილება ოპტიმალურ პირობებში სინთეზისას; ვერცხლის კონცენტრაციები (0,3 M), თაფლის კონცენტრაციები (20 wt%) და ულტრაბგერითი გამოსხივების დრო (30 წთ)
კვლევა და სურათი: ©Oskuee et al. 2016

ულტრაბგერითი დამუშავების გავლენა ნუკლეაციასა და ნაწილაკების ზომაზე

ულტრაბგერა საშუალებას იძლევა წარმოიქმნას მოთხოვნების შესაბამისი ნანონაწილაკები, მაგალითად ვერცხლის ნანონაწილაკები. ულტრაბგერითი დამუშავების სამ ზოგად ვარიანტს მნიშვნელოვანი გავლენა აქვს შედეგზე:
უწყვეტი ულტრაბგერითი დამუშავება: ულტრაბგერითი ტალღების ხანმოკლე ზემოქმედებამ ზეგაჯერებულ ხსნარზე შეიძლება წამოიწყოს ჩანასახების ჩასახვა და ბირთვების წარმოქმნა. ვინაიდან ულტრაბგერითი დამუშავება მხოლოდ საწყის ეტაპზე გამოიყენება, კრისტალების შემდგომი ზრდა შეუფერხებლად მიმდინარეობს, რაც უფრო დიდი კრისტალების წარმოქმნას იწვევს.
უწყვეტი ულტრაბგერითი დამუშავება: ზეგაჯერებული ხსნარის უწყვეტი გამოსხივება იწვევს მცირე კრისტალების წარმოქმნას, რადგან შეუჩერებელი ულტრაბგერითი დამუშავება ქმნის მრავალ ჩანასახს, რაც ბევრი მცირე კრისტალის ზრდას იწვევს.
იმპულსური ულტრაბგერითი დამუშავება: იმპულსური ულტრაბგერა ნიშნავს ულტრაბგერის გამოყენებას განსაზღვრულ ინტერვალებში. ულტრაბგერითი ენერგიის ზუსტად კონტროლირებადი შეყვანა საშუალებას იძლევა გავლენა მოახდინოთ კრისტალურ ზრდაზე, რათა მიიღოთ მორგებული კრისტალური ზომა.

მაღალი წარმადობის ულტრაბგერითი პროცესორები ნანონაწილაკების სინთეზისთვის

Hielscher Ultrasonics სთავაზობს მაღალი სიმძლავრის, საიმედო ულტრაბგერით პროცესორებს, რომლებიც შექმნილია პროგრესული სონოქიმიური გამოყენებისთვის, მათ შორის სონოსინთეზისა და სონოკატალიზისთვის. ულტრაბგერითი შერევა და დისპერგირება მნიშვნელოვნად აუმჯობესებს მასის გადატანას, ხელს უწყობს ატომური კლასტერების დასველებას და მათ შემდგომ ნუკლეაციას, რაც ნანონაწილაკების ეფექტურ დალექვას იწვევს. ულტრაბგერითი სინთეზი ცნობილია, როგორც მარტივი, ეკონომიური, ბიოთავსებადი, გამეორებადი, სწრაფი და უსაფრთხო მეთოდი მაღალი ხარისხის ნანომასალების წარმოებისთვის. (გაიგეთ მეტი პეროვსკიტის სონოქიმიური სინთეზის შესახებ და ZnO ნანოსტრუქტურების შესახებ!)

Hielscher-ის ულტრაბგერითი პროცესორები შექმნილია ზუსტი კონტროლისთვის, რაც საშუალებას იძლევა მიიღწეოს ოპტიმალური პირობები ნანომასალების ნუკლეაციისა და ზრდისთვის. ეს ციფრული მოწყობილობები აღჭურვილია ინტელექტუალური პროგრამული უზრუნველყოფით, ფერადი სენსორული ეკრანით და ინტუიციური მენიუთი უსაფრთხო და მოსახერხებელი ექსპლუატაციისთვის. გარდა ამისა, ისინი ავტომატურად იწერენ მონაცემებს ჩაშენებულ SD ბარათზე, რაც უზრუნველყოფს პროცესის უწყვეტ დოკუმენტირებას.

სისტემების ფართო დიაპაზონით – კომპაქტური 50-ვატიანი ხელის ულტრაბგერითი პროცესორებიდან ლაბორატორიული გამოყენებისთვის, მდგრად 16 000-ვატიან სამრეწველო სისტემებამდე – Hielscher სთავაზობს იდეალურ ულტრაბგერით გადაწყვეტილებას ყველა გამოყენებისთვის. გამძლეობისთვის შექმნილი, Hielscher-ის ულტრაბგერითი აღჭურვილობა განკუთვნილია უწყვეტი მუშაობისთვის მძიმე პირობებში, მაშინაც კი, როდესაც გარემო მოთხოვნადია, რაც უზრუნველყოფს საიმედო წარმადობას 24/7.
ქვემოთ მოცემული ცხრილი წარმოდგენას შეგიქმნით ჩვენი ულტრაბგერითი პროცესორების დამუშავების სავარაუდო წარმადობაზე:

ნანონაწილაკების სინთეზის ტრადიციული და მწვანე მეთოდების შედარება.