SnOx nanopārslu sintēze ar ultraskaņu

Divdimensionāli (2D) nanomateriāli joprojām piesaista ievērojamu interesi materiālzinātnē, pateicoties to lielajam virsmas laukumam, regulējamām elektroniskajām īpašībām un unikālajai mijiedarbībai ar gaismu un vielu. To vidū īpašu interesi izraisa sistēmas uz alvas oksīda bāzes (parasti SnO₂ vai jauktas SnO/SnO₂ fāzes), jo tām piemīt pusvadītāju īpašības, ķīmiskā stabilitāte un saderība ar apstrādi ūdens vidē. Sonoķīmiskajā sintēzē apstrāde ar ultraskaņu ļauj iegūt nanomēroga alvas oksīda pārslas (SnOx nanopārslas) ar izcilām strukturālajām / morfoloģiskajām īpašībām, sadalot lielākas struktūras mazākās, tādējādi padarot tās piemērotas progresīviem lietojumiem, piemēram, fototermiskajai terapijai (PTT).

Nanopārslu iegūšanas ultraskaņas eksfoliācijas mehānisms un pamatojums

Apstrāde ar ultraskaņu (augstas intensitātes apstrāde ar ultraskaņu) ir plaši atzīta par ļoti efektīvu nanomateriālu sintēzes metodi. Galvenā fizikālā parādība ir akustiskā kavitācija – proti, burbuļu veidošanās, augšanas un sabrukšanas cikli šķidrā vidē –, kas rada lokālus ekstremālus apstākļus (temperatūru ~5 000 K, spiedienu ~1 000 bar un lielu dzesēšanas/uzsildīšanas ātrumu), veicinot cieto izejvielu fragmentāciju, eksfoliāciju un ķīmiskās pārvērtības.

Slāņainu vai daļēji slāņainu alvas savienojumu (piemēram, SnS₂, SnO, SnO₂) gadījumā apstrāde ar ultraskaņu veicina:

• Slāņainu struktūru atslāņošanos vai eksfoliāciju plānās pārslās;
• Mehānisku fragmentāciju, samazinot laterālos izmērus;
• Uzlabotu masas pārnesi un reaģētspēju ūdens vidē, potenciāli radot struktūras ar defektiem vai fāžu pārvērtības;
• Uzlabotu nanomēroga lokšņu dispersiju šķīdumā turpmākai apstrādei.

Piemēram, monokristāliskas SnO nanoloksnes tika iegūtas ar ultraskaņas sintēzi ūdens vidē PVP (polivinilpirolidona) klātbūtnē, lai veicinātu eksfoliāciju un kavētu mikrokristālu augšanu. Plašākā kontekstā ultraskaņa ir izmantota poraina SnO₂ ar lielu īpatnējo virsmas laukumu iegūšanai ar sonoķīmiskām metodēm.
Tādēļ, ja mērķis ir iegūt alvas oksīda nanopārslas (SnOx), sadalot lielākas struktūras mazākās, apstrāde ar ultraskaņu ir loģiska izvēle – īpaši kombinācijā ar ūdens vidi, saudzīgu ķīmisko apstrādi vai elektroķīmisko eksfoliāciju.

 

 

SnOx nanopārslu sintēze – procesa pārskats

Alvas oksīda (SnO) nanodaļiņu sintēze sākas ar alvas prekursora (SnCl₂) izšķīdināšanu 36 mL destilēta ūdens, saudzīgi maisot. Pēc tam šķīduma pH uzmanīgi noregulē robežās no 9 līdz 10, ultraskaņas apstrādes laikā lēni pievienojot 4 mL amonija hidroksīda. Maisījuma apstrādei ar ultraskaņu 60 minūtes izmanto zondes tipa ultraskaņas ierīci, piemēram, UIP500hdT (500 W, 20 kHz), kas aprīkota ar 18 mm titāna zondi (BS4d18), uzturot temperatūru aptuveni 80–90 °C. Nepārtraukta apstrāde ar ultraskaņu veicina alvas oksīda nanodaļiņu kodolu veidošanos un vienmērīgu augšanu, pēc aptuveni vienas stundas ilgas apstrādes iegūstot viendabīgu, caurspīdīgu koloidālu šķīdumu. (sal. Ullah et al., 2017)

Šī pieeja ir ievērības cienīga ar to, ka tajā izmanto tikai ūdens vidi – tas uzlabo saderību ar turpmāko biomedicīnisko apstrādi –, un tas ir mērogojams un videi draudzīgs process.

 

 

Lietojuma piemērs: NIR fototermiskā terapija (PTT)

Tuvā infrasarkanā starojuma (NIR) fototermiskā terapija (PTT), kurā izmanto nanomateriālus, ir daudzsološa selektīvas vēža ārstēšanas stratēģija. Chang et al. (2025) darbā SnOx nanopārslas sasniedza ~93 % fototermiskās pārveides efektivitāti (0,25 mg/mL dispersijai), apstarojot ar 810 nm LED gaismu. Dispersija ar koncentrāciju 3 mg/mL izraisīja temperatūras paaugstināšanos par ~19 °C 30 min laikā. Turklāt in vitro pētījumi parādīja selektīvu citotoksicitāti: piemēram, pie koncentrācijas 100–200 µg/mL un 30 min ilgas apstarošanas ar 115,2 mW/cm² šūnu dzīvotspējas samazinājums bija ~50 % SW837 kolorektālās karcinomas šūnām un ~92 % A431 ādas karcinomas šūnām, savukārt citotoksicitāte pret cilvēka ādas fibroblastiem netika novērota.
Šis rezultāts ir īpaši interesants, jo tajā izmanto lētus LED avotus (dārgu lāzeru vietā) un apstrādi ūdens vidē, kas uzlabo mērogojamību un pārneses potenciālu klīniskajā praksē. Tas parāda, kā nanomateriālu morfoloģija, defektu inženierija un apstrādes paņēmiens (apstrāde ar ultraskaņu + oksidēšana) var pavērt jaunas iespējas biomedicīniskos lietojumos.

Augstas veiktspējas ultraskaņas ierīces nanopārslu sintēzei

Hielscher ultraskaņas procesori ir Vācijā izstrādātas augstas veiktspējas ultraskaņas ierīces, kas paredzētas gan laboratorijas, gan rūpnieciskiem lietojumiem un nodrošina precīzu amplitūdas, ievadītās enerģijas un temperatūras kontroli – tie ir galvenie parametri reproducējamai nanomateriālu sintēzei. Nanopārslu ražošanā to zondes tipa sistēmas (piemēram, UP400St, UIP500hdT, UIP1000hdT) rada intensīvu akustisko kavitāciju, kas nodrošina slāņainu materiālu, piemēram, metālu oksīdu vai dihalkogenīdu, efektīvu eksfoliāciju, atslāņošanos un dispersiju. Regulējamā amplitūda (līdz 200 µm), nepārtrauktas darbības iespēja un integrētā digitālā uzraudzība nodrošina stabilu enerģijas pārnesi un izcilu mērogojamību no mililitru līdz litru tilpumiem. Šīs īpašības padara Hielscher ultraskaņas ierīces īpaši izdevīgas vienmērīgu nanopārslu ar kontrolējamu izmēru, biezumu un fāžu sastāvu sintēzei videi nekaitīgos apstākļos ūdens vidē.
Hielscher ultraskaņas ierīces ļauj precīzi regulēt amplitūdu, laiku, impulsu režīmu un temperatūru – tādējādi ļaujot mērķtiecīgi veidot izmēru, morfoloģiju un funkcionalizāciju.

Tālāk redzamā tabula sniedz priekšstatu par mūsu ultraskaņas ierīču aptuveno apstrādes jaudu:

Projektēšana, ražošana un konsultācijas – Vācijā radīta kvalitāte

Hielscher ultraskaņas ierīces ir labi pazīstamas ar visaugstākajiem kvalitātes un projektēšanas standartiem. Izturība un vienkārša lietošana ļauj mūsu ultraskaņas ierīces viegli integrēt rūpnieciskās ražotnēs. Hielscher ultraskaņas ierīces viegli tiek galā ar skarbiem apstākļiem un prasīgu darba vidi.

Hielscher Ultrasonics ir ISO sertificēts uzņēmums, kas īpašu uzmanību pievērš augstas veiktspējas ultraskaņas ierīcēm ar vismodernākajām tehnoloģijām un lietotājam draudzīgu darbību. Protams, Hielscher ultraskaņas ierīces atbilst CE prasībām un izpilda UL, CSA un RoHs prasības.