은 나노입자 합성을 위한 친환경 초음파화학적 경로
은 나노입자(AgNPs)는 항균 특성, 광학적 특성 및 높은 전기 전도성으로 인해 자주 활용되는 나노물질이다. 카파 카라기난을 사용하는 초음파화학적 경로는 은 나노입자를 제조하기 위한 간단하고 편리하며 환경친화적인 합성 방법이다. κ-카라기난은 천연 친환경 안정제로 사용되며, 고출력 초음파는 친환경 환원제로 작용한다.
녹색화학에는 정밀한 매개변수 제어가 필요합니다. 당사의 나노물질 엔지니어는 수율을 극대화하고 입자 형태를 제어하며 녹색화학 원칙을 완전히 준수할 수 있도록 적합한 소노트로드, 반응기 형상 및 출력 설정을 선택하는 데 도움을 드립니다.
Ag+/κ-카라기난(왼쪽)과 초음파 처리한 Ag/κ-카라기난(오른쪽). UP400S로 90min 동안 초음파 처리를 수행하였다.
[Elsupikhe et al. 2015]
은 나노입자의 친환경 초음파 합성
Elsupikhe 등(2015)은 은 나노입자(AgNPs)를 제조하기 위한 친환경 초음파 보조 합성 경로를 개발하였다. 초음파화학은 다양한 습식 화학 반응을 촉진하는 것으로 잘 알려져 있다. 초음파 처리를 통해 κ-카라기난을 천연 안정제로 사용하여 AgNPs를 합성할 수 있다. 반응은 실온에서 진행되며 불순물이 전혀 없는 면심입방(fcc) 결정 구조의 은 나노입자를 생성한다. κ-카라기난의 농도는 AgNPs의 입자 크기 분포에 영향을 줄 수 있다.
초음파 처리 중 κ-카라기난으로 캡핑된 Ag-NPs의 하전기 사이 상호작용 모식도. [Elsupikhe et al. 2015]
절차: 은 나노입자의 지속 가능한 합성
- Ag-NPs는 κ-카라기난 존재하에서 초음파 처리를 이용하여 AgNO3 를 환원하여 합성하였다. 서로 다른 시료를 얻기 위해 다섯 가지 현탁액을 준비하였으며, 이때 10 mL의 0.1 M AgNO3 를 40-mL κ-카라기난에 첨가하였다. 사용한 κ-카라기난 용액의 농도는 각각 0.1, 0.15, 0.20, 0.25 및 0.3 wt%였다.
- 용액을 1h 동안 교반하여 AgNO3/κ-카라기난을 얻었다.
- 그런 다음 시료에 강한 초음파를 조사하였다. 초음파 장치 UP400S (400W, 24kHz)의 진폭을 50%로 설정하였다. 실온에서 90min 동안 초음파 처리를 수행하였다. 초음파 액체 처리기 UP400S의 소노트로드를 반응 용액에 직접 담갔다.
- 초음파 처리 후 현탁액을 15min 동안 원심분리하고 이중 증류수로 네 차례 세척하여 잔류 은 이온을 제거하였다. 침전된 나노입자를 40°C의 진공 조건에서 하룻밤 동안 건조하여 Ag-NPs를 얻었다.
반응식
- nH₂O —초음파 처리–> +H + OH
- OH + RH –> R + H₂O
- AgNo₃–가수분해–> Ag+ + NO₃–
- R + Ag+ —> Ag° + R’ + H+
- Ag+ + H –환원–> Ag°
- Ag+ + H2O —> Ag° + OH + H+
분석 및 결과: 초음파로 합성한 은 나노입자
결과를 평가하기 위해 자외선–가시광선 분광 분석, X선 회절, FT-IR 화학 분석, TEM 및 SEM 영상을 이용하여 시료를 분석하였다.
κ-카라기난 농도가 증가함에 따라 Ag-NPs의 수가 증가하였다. Ag/κ-카라기난의 형성은 자외선–가시광선 분광법으로 확인하였으며, 표면 플라스몬 흡수 극대는 402–420nm에서 관찰되었다. X선 회절(XRD) 분석 결과 Ag-NPs는 면심입방 구조를 갖는 것으로 나타났다. 푸리에 변환 적외선(FT-IR) 스펙트럼은 κ-카라기난 내 Ag-NPs의 존재를 나타냈다. κ-카라기난 농도가 가장 높은 시료의 투과전자현미경(TEM) 영상에서는 평균 입자 크기가 약 4.21nm인 Ag-NPs의 분포가 나타났다. 주사전자현미경(SEM) 영상은 Ag-NPs의 구형 형태를 보여주었다. SEM 분석 결과 κ-카라기난 농도가 증가함에 따라 Ag/κ-카라기난 표면에 변화가 일어나 크기가 작은 구형 Ag-NPs가 얻어진 것으로 나타났다.
서로 다른 κ-카라기난 농도에서 초음파화학적으로 합성한 Ag/κ-카라기난의 TEM 영상과 해당 크기 분포. [각각 0.1%, 0.2% 및 0.3% (a, b, c)].
UP400S – Ag 나노입자의 초음파화학적 합성에 사용된 초음파 장치
문헌/참고문헌
- Elsupikhe, Randa Fawzi; Shameli, Kamyar; Ahmad, Mansor B; Ibrahim, Nor Azowa; Zainudin, Norhazlin (2015): Green sonochemical synthesis of silver nanoparticles at varying concentrations of κ-carrageenan. Nanoscale Research Letters 10. 2015.
- Reza Kazemi Oskuee, Azhar Banikamali, Bibi Sedigheh Fazly Bazzaz, Hasan Ali Hosseini, and Majid Darroudi (2016): Honey-Based and Ultrasonic-Assisted Synthesis of Silver Nanoparticles and Their Antibacterial Activities. Journal of Nanoscience and Nanotechnology Vol. 16, 7989–7993, 2016.
- Bose, Rahul & Roychoudhury, Piya & Pal, Ruma (2021): In-situ green synthesis of fluorescent silica–silver conjugate nanodendrites using nanoporous frustules of diatoms: an unprecedented approach. Bioprocess and Biosystems Engineering 44, 2021
- I. De La Calle, N. Cabaleiro, M. Costas, F. Pena, S. Gil, I. Lavilla, C. Bendicho (2011): Ultrasound-assisted extraction of gold and silver from environmental samples using different extractants followed by electrothermal-atomic absorption spectrometry. Microchemical Journal, Volume 97, Issue 2, 2011. 93-100.
자주 묻는 질문: 은 나노입자의 친환경 초음파화학적 합성
초음파는 은 나노입자의 친환경 합성을 어떻게 개선하나요?
초음파는 음향 캐비테이션을 유도하며, 이로 인해 국소적인 고온점이 생성되어 친환경 물질을 이용한 은 이온의 빠른 환원이 이루어집니다. 이 초음파화학적 공정은 반응 속도를 높이고, 균일한 핵 생성을 촉진하며, 입자 크기와 형상을 정밀하게 제어할 수 있게 합니다 – 이 모든 과정은 강한 화학약품이나 높은 열에너지 없이 이루어집니다.
AgNPs를 위한 친환경 초음파화학적 합성 경로의 주요 장점은 무엇인가요?
친환경 초음파화학적 합성은 초음파와 생체적합성 환원제 및 캡핑제(예: 식물 추출물, 당류 또는 고분자)를 결합하여 무독성이며 환경에 무해한 은 나노입자를 생산합니다. 이 방법은 에너지 사용을 줄이고, 합성 시간을 단축하며, 유해한 부산물을 제거하고, 크기 분포가 일정하고 안정성이 높은 나노입자를 생성합니다.
초음파로 은 나노입자의 크기와 형태를 제어할 수 있나요?
네. 제조업체는 초음파 진폭, 주파수, 출력 밀도 및 초음파 처리 시간을 조절하여 핵 생성 속도와 성장 속도를 정밀하게 조정할 수 있습니다. 이를 통해 특정 생의학, 전자 또는 산업 응용 분야에 맞춰 다양한 형상(구형, 정육면체, 삼각형 판상)의 5–100 nm AgNPs를 재현성 있게 생산할 수 있습니다.
초음파를 이용한 친환경 합성을 산업용 AgNP 생산 규모로 확장할 수 있나요?
물론입니다. 산업용 초음파 처리 장치는 연속 유동식 반응기를 지원하며, 이러한 반응기는 실험실 배치 규모에서 본격적인 제조 규모로 원활하게 확장할 수 있습니다. 인라인 초음파 처리는 균일한 캐비테이션 분포, 실시간 공정 모니터링 및 배치 간 일관성을 보장하므로, 대량의 친환경 AgNP 제조에 이상적입니다.
초음파를 이용한 은 나노입자 합성에 가장 잘 작용하는 친환경 환원제는 무엇인가요?
효과적인 친환경 물질로는 식물 추출물(예: 알로에, 녹차, 감귤류 껍질), 탄수화물, 아미노산, 단백질 및 생분해성 고분자가 있습니다. 초음파는 이러한 물질의 환원 및 안정화 효율을 높여, 높은 수율, 콜로이드 안정성 및 기능적 성능을 유지하면서 합성 화학물질을 완전히 대체할 수 있게 합니다.
AgNPs의 초음파화학적 합성은 기존 화학적 방법과 어떻게 다른가요?
기존 화학적 합성 경로는 흔히 독성 환원제(예: 수소화붕소나트륨)와 극단적인 pH 조건에 의존하며 유해 폐기물을 발생시킵니다. 친환경 초음파화학적 합성은 안전하고 재생 가능한 재료를 사용하고, 주변 온도 또는 온화한 온도 조건에서 진행되며, 처리 시간을 크게 단축하고, 분산성과 저장 수명이 우수하면서 더 깨끗하고 생체적합성이 더 높은 나노입자를 생산합니다.
친환경 초음파 은 나노입자는 어떤 산업에 이점을 제공하나요?
친환경 초음파화학적 방법으로 합성된 AgNPs는 항균 코팅, 의료기기, 상처 관리, 물 여과, 유연 전자소자 및 지속 가능한 포장에 널리 사용됩니다. 이러한 친환경 생산 방식은 엄격한 환경 및 안전 기준 준수를 보장하면서 높은 성능과 규제상 수용성을 제공합니다.
은 나노입자란 무엇인가요?
은 나노입자는 1nm에서 100nm 사이의 크기를 특징으로 합니다. 흔히 ‘은’으로 묘사되지만, 일부는 내부 은 원자 대비 표면 은 원자의 비율이 높아 산화은이 큰 비중을 차지합니다. 은 나노입자는 다양한 구조로 나타날 수 있습니다. 가장 흔히 합성되는 것은 구형 은 나노입자이지만, 마름모형, 팔각형 및 얇은 시트 형태도 사용됩니다.
은 나노입자는 의료 분야에서 매우 빈번하게 사용됩니다. 은 이온은 생물학적 활성을 지니며 강력한 항균 및 살균 효과가 있습니다. 표면적이 극히 넓어 다수의 리간드가 배위 결합할 수 있습니다. 그 밖의 중요한 특성으로는 전도성과 독특한 광학적 특성이 있습니다.
은 나노입자는 전도 특성 때문에 복합재, 플라스틱, 에폭시 및 접착제에 흔히 첨가됩니다. 은 입자는 전기 전도도를 높이므로 은 페이스트와 잉크는 전자제품 제조에 빈번하게 사용됩니다. 은 나노입자는 표면 플라스몬을 지지하므로 AgNPs는 뛰어난 광학적 특성을 지닙니다. 플라스모닉 은 나노입자는 센서, 검출기 및 표면 증강 라만 분광법(SERS)과 표면 플라스몬장 증강 형광 분광법(SPFS) 등의 분석 장비에 사용됩니다.
카라기난이란 무엇인가요?
카라기난은 다양한 홍조류 종에서 발견되는 저렴한 천연 고분자입니다. 카라기난은 선형 황산화 다당류로, 겔 형성, 증점 및 안정화 특성 때문에 식품 산업에서 널리 사용됩니다. 식품 단백질과 강하게 결합하므로 주로 유제품과 육제품에 사용됩니다. 카라기난에는 황산화 정도가 서로 다른 세 가지 주요 유형이 있습니다. 카파-카라기난은 이당류당 황산기를 하나 갖습니다. 아이오타-카라기난(ι-카라기난)은 이당류당 황산기를 두 개 갖습니다. 람다 카라기난(λ-카라기난)은 이당류당 황산기를 세 개 갖습니다.
카파 카라기난(κ-카라기난)은 D-갈락토스와 3,6-안하이드로-D-갈락토스로 이루어진 황산화 다당류의 선형 구조를 갖습니다.
κ-카라기난은 식품 산업에서 겔화제 및 질감 조절 용도 등으로 널리 사용됩니다. 제품의 점도를 높이기 위해 아이스크림, 크림, 코티지치즈, 밀크셰이크, 샐러드드레싱, 가당 연유, 두유 및 기타 식물성 우유와 소스에 첨가제로 사용됩니다.
또한 κ-카라기난은 샴푸와 화장품 크림의 증점제, 치약의 성분 분리 방지용 안정제, 소화용 포말의 점착성을 높이는 증점제, 젤형 방향제, 구두약의 점도 증가제 등 비식품 제품에도 사용됩니다. 생명공학 분야에서는 세포/효소를 고정화하는 데, 의약품에서는 알약/정제의 비활성 부형제로 사용되며, 반려동물 사료 등에도 사용됩니다.
서로 다른 κ-카라기난 농도에서의 Ag/κ-카라기난 SEM 이미지. [각각 0.1%, 0.2%, 0.3 % (a, b, c)]. [Elsupikhe et al. 2015]