Synthetiseren van Nano-Zilver met Honing en Ultrasonica

Nanozilver wordt gebruikt voor zijn antibacteriële eigenschappen om materialen in de geneeskunde en de materiaalkunde te versterken. Ultrasonicatie zorgt voor een snelle, effectieve, veilige en milieuvriendelijke synthese van sferische zilveren nanodeeltjes in water. Ultrasone nanodeeltjessynthese kan gemakkelijk worden geschaald van kleine naar grote productie.

Ultrasonisch geassisteerde synthese van colloïdaal nanozilver

Sonochemische synthese, die synthetische reacties zijn onder ultrasone bestraling, worden op grote schaal gebruikt om nanodeeltjes te produceren zoals zilver, goud, magnetiet, hydroxyapatiet, Chloroquine, Perovskite, latex en vele andere nanomaterialen.

Ultrasone nat-chemische synthese

Voor zilveren nanodeeltjes zijn verschillende ultrasoon ondersteunde syntheseroutes bekend. Hieronder wordt een ultrasone syntheseroute met behulp van honing als reductie- en ligandafdekkingsmiddelen gepresenteerd. Honingbestanddelen zoals glucose en fructose zijn verantwoordelijk voor de rol van de honing als zowel afdekkend als reducerend middel in het syntheseproces.
Net als de meest gangbare methoden voor de synthese van nanodeeltjes valt ook de ultrasone nanozilversynthese onder de categorie natte chemie. Ultrasoonbehandeling bevordert de vorming van zilveren nanodeeltjes in een oplossing. De ultrasoonbevorderde nucleatie treedt op wanneer een zilveren voorloper (zilverionencomplex), bijv. zilvernitraat (AgNO₃) of zilverperchloraat (AgClO₄), wordt gereduceerd tot colloïdaal zilver in de aanwezigheid van een reductiemiddel, zoals honing. Onder de voorwaarde dat de concentratie zilverionen in de oplossing voldoende toeneemt, binden opgeloste metaalzilverionen zich aan elkaar en vormen ze een stabiel oppervlak. Wanneer het cluster van zilverionen nog klein is, is dit een energetisch ongunstige toestand door een negatieve energiebalans. De negatieve energiebalans ontstaat omdat de energie die wordt gewonnen door de concentratie opgeloste zilverdeeltjes te verlagen, lager is dan de energie die wordt verbruikt bij het creëren van een nieuw oppervlak.
Wanneer het cluster de kritische straal bereikt, wat het punt is waarop het energetisch gunstig wordt, is het stabiel genoeg om verder te groeien. Tijdens de groeifase verspreiden zich meer zilveratomen door de oplossing en hechten ze zich aan het oppervlak. Wanneer de concentratie van opgelost atoomzilver tot een bepaald punt afneemt, wordt de kiemdrempel bereikt, zodat de atomen zich niet langer kunnen binden om een stabiele kern te vormen. Bij deze kiemdrempel houdt de groei van nieuwe nanodeeltjes op en wordt het resterende opgeloste zilver geabsorbeerd door diffusie in de groeiende nanodeeltjes in de oplossing.
Sonicatie bevordert de massatransfer, d.w.z. het bevochtigen van de clusters, wat resulteert in een snellere nucleatie. Door nauwkeurig gecontroleerde sonificatie kunnen de groeisnelheid, de grootte en de vorm van de nanodeeltjesstructuren worden bepaald.
Klik hier om meer te lezen over een andere groene methode om ultrasonisch nano zilver te synthetiseren met behulp van carrageen!

Vergelijking van conventionele methoden en groene synthesemethoden van de synthese van nanodeeltjes.

Casestudy van Ultrasone Nano-Zilversynthese

Materialen: zilvernitraat (AgNO₃) als zilveren voorloper; honing als afdekking/reductiemiddel; water
Ultrasoon apparaat: UP400St

Ultrasoon syntheseprotocol

De beste voorwaarden om colloïdale zilvernanopartikels te synthetiseren bleken de volgende te zijn: Het verminderen van zilvernitraat onder ultrasoonbehandeling door middel van natuurlijke honing. Kort gezegd werd 20 ml zilvernitraatoplossing (0,3 M) met honing (20 wt%) blootgesteld aan ultrasone bestraling met hoge intensiteit onder omgevingscondities gedurende 30 min. De ultrasoonbehandeling werd uitgevoerd met een ultrasoonapparaat van het sonde-type. UP400S (400W, 24 kHz) direct ondergedompeld in de reactieoplossing.

Deeltjesgrootteverdeling van Ag-NP's gesynthetiseerd in optimale omstandigheden; zilverconcentraties (0,3 M), honingconcentraties (20 wt%), en ultrasone bestralingstijd (30 min)
beeldbron: Oskuee et al. 2016

Food-grade honing wordt gebruikt als capping / stabiliserende en reducerende agent, waardoor de waterige nucleatie oplossing en de neergeslagen nanodeeltjes schoon en veilig voor spruitstuk toepassingen.
Naarmate de ultrasone tijd toeneemt, worden de zilveren nanodeeltjes kleiner en wordt hun concentratie verhoogd.
In de waterige honingoplossing is ultrasoonbehandeling een belangrijke factor die de vorming van zilveren nanodeeltjes beïnvloedt. Sonicatie parameters zoals amplitude, tijd en continue vs pulserende ultrasound zijn belangrijke factoren die het mogelijk maken om de grootte en de hoeveelheid van de zilveren nanodeeltjes te controleren.

Resultaat van Ultrasone Synthese van Zilveren Nanodeeltjes

De ultrasonisch gepromoot, honingbediende synthese met de UP400St resulteerde in bolvormige zilveren nanodeeltjes (Ag-NPs) met een gemiddelde deeltjesgrootte van ongeveer 11,8 nm. De ultrasone synthese van de zilveren nanodeeltjes is een eenvoudige en snelle één-pots-methode. Het gebruik van water en honing als materiaal maakt de reactie kosteneffectief en uitzonderlijk milieuvriendelijk.
De gepresenteerde techniek van ultrasone synthese met behulp van honing als reductiemiddel en aftopping kan worden uitgebreid tot andere edele metalen, zoals goud, palladium en koper, die verschillende extra toepassing van de geneeskunde tot de industrie biedt.

TEM-beeld (A) en de deeltjesgrootteverdeling (B) van Ag-NP's gesynthetiseerd in optimale omstandigheden.

Beïnvloeding van de Nucleatie en de Deeltjesgrootte door Sonicatie

Ultrasound maakt de productie van nanodeeltjes zoals zilveren nanodeeltjes op maat mogelijk. Drie algemene opties van sonicatie hebben belangrijke effecten op de output:
Initial Ultrasoonbehandeling: De korte toepassing van ultrasone golven op een oververzadigde oplossing kan het zaaien en de vorming van kernen in gang zetten. Omdat sonicatie alleen in het beginstadium wordt toegepast, verloopt de daaropvolgende kristalgroei ongehinderd, wat resulteert in grotere kristallen.
Continu Ultrasoonbehandeling: De continue bestraling van de oververzadigde oplossing resulteert in kleine kristallen, omdat door de ononderbroken ultrasone werking veel kernen ontstaan met als gevolg de groei van veel kleine kristallen.
Gepulseerde geluidssignaal: Onder gepulseerd ultrageluid wordt verstaan het toepassen van ultrageluid in bepaalde intervallen. Een nauwkeurig gecontroleerde input van ultrasone energie maakt het mogelijk om de kristalgroei te beïnvloeden om zo een op maat gemaakte kristalgrootte te verkrijgen.

Hoogwaardige ultrasonicatoren voor synthese

Hielscher Ultrasonics levert krachtige en betrouwbare ultrasone processoren voor sonochemische toepassingen, waaronder sono-synthese en sonokatalyse. Ultrasoon mengen en dispergeren verhoogt de massatransfer en bevordert het bevochtigen en vervolgens nucleeren van atoomclusters om nanodeeltjes te laten neerslaan. Ultrasone synthese van nanodeeltjes is een eenvoudige, kosteneffectieve, biocompatibele, reproduceerbare, snelle en veilige methode.
Hielscher Ultrasonics levert krachtige en nauwkeurig regelbare ultrasone processoren voor de nucleatie en neerslag van nanomaterialen. Alle digitale apparaten zijn uitgerust met intelligente software, een gekleurd aanraakscherm, automatische gegevensregistratie op een ingebouwde SD-kaart en zijn voorzien van een intuïtief menu voor een gebruiksvriendelijke en veilige bediening.
Met het complete vermogensbereik van 50 Watt handheld ultrasoonsystemen voor het laboratorium tot 16.000 Watt krachtige industriële ultrasoonsystemen heeft Hielscher de ideale ultrasoon opstelling voor uw toepassing. De robuustheid van Hielscher's ultrasoon apparatuur maakt het mogelijk om 24 uur per dag, 7 dagen per week en in veeleisende omgevingen te werken.
Onderstaande tabel geeft een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasonicators: