Synthese van nanozilver met honing en ultrasoon geluid

Nanozilver wordt vanwege zijn antibacteriële eigenschappen gebruikt om materialen in de geneeskunde en de materiaalkunde te versterken. Ultrasoon maakt een snelle, efficiënte, veilige en milieuvriendelijke synthese van bolvormige zilveren nanodeeltjes in water mogelijk. Ultrasone nanodeeltjes synthese kan gemakkelijk worden opgeschaald van kleine naar grote productie.

Ultrasoon gestuurde synthese van colloïdaal nanozilver

Sonochemische synthese, die verwijst naar chemische reacties die worden vergemakkelijkt door ultrasone bestraling, is een veel toegepaste methode voor het produceren van nanodeeltjes. Deze omvatten zilver, goud, magnetiet, hydroxyapatiet, chloroquine, perovskiet, latex en vele andere nanomaterialen.

Ultrasone natchemische synthese

Er zijn meerdere ultrasonisch ondersteunde syntheseroutes ontwikkeld voor de productie van zilveren nanodeeltjes. Een opmerkelijke methode maakt gebruik van honing als reductie- en afdekmiddel. Componenten in honing, zoals glucose en fructose, werken synergetisch in deze rollen tijdens het syntheseproces.
Net als veel andere synthesetechnieken voor nanodeeltjes valt ook ultrasone synthese van nanozilver in de categorie natte chemie. Het proces begint met de nucleatie van zilveren nanodeeltjes in een oplossing. Tijdens sonicatie wordt een zilverprecursor (bijvoorbeeld zilvernitraat (AgNO₃) of zilverperchloraat (AgClO₄)) wordt gereduceerd in de aanwezigheid van een reductiemiddel, zoals honing, om colloïdaal zilver te produceren.

Mechanisme van ultrasone zilvernucleatie en -groei

Initiële Nucleatiefase: Naarmate de concentratie opgeloste zilverionen toeneemt, beginnen zilvermetaalionen zich te binden tot kleine clusters. In dit stadium zijn deze clusters energetisch instabiel vanwege een negatieve energiebalans. De energie die nodig is om nieuwe oppervlakken te maken is groter dan de energie die wordt gewonnen door het verlagen van de opgeloste zilverconcentratie.

• Kritische straal: Wanneer een cluster een bepaalde grootte bereikt (de kritische straal), wordt het proces energetisch gunstig, waardoor de cluster stabiliseert. Door deze stabiliteit kan de cluster fungeren als een kern voor verdere groei.
• Groeifase: Tijdens de groei diffunderen extra zilveratomen door de oplossing en hechten zich aan het groeiende nanodeeltjesoppervlak. De groei gaat door totdat de concentratie opgelost zilver onder de nucleatiedrempel zakt, waardoor de vorming van nieuwe kernen stopt.
• Verspreiding en voltooiing: Het resterende opgeloste zilver wordt opgenomen in bestaande nanodeeltjes, waardoor het proces wordt voltooid.

Sonificatie versnelt de massaoverdracht, met name de bevochtigings- en diffusieprocessen, wat leidt tot snellere nucleatie en gecontroleerde groei. Door de sonicatieparameters nauwkeurig aan te passen, zoals intensiteit en duur, kunnen de grootte, groeisnelheid en vorm van de nanodeeltjes nauwkeurig worden afgesteld. Deze nauwkeurige regeling zorgt voor consistente nanodeeltjesstructuren op maat van specifieke toepassingen.

Ultrasoon ondersteunde synthese is een effectieve, schaalbare en groene chemiebenadering voor de productie van nanozilver met goed gedefinieerde eigenschappen, die aanzienlijke voordelen biedt voor diverse toepassingen in onderzoek en industrie.

Klik hier om meer te lezen over een andere groene methode om nanozilver ultrasoon te synthetiseren met carrageen!

Sonicatie vergemakkelijkt de snelle, groene synthese van kleine zilveren nanodeeltjes met een smalle grootteverdeling.

Casestudie van ultrasone nanozilver synthese

De studie getiteld “Op honing gebaseerde en ultrasoon ondersteunde synthese van zilveren nanodeeltjes en hun antibacteriële activiteiten” van Oskuee et al. (2016) onderzoekt een eenvoudige en milieuvriendelijke methode voor de synthese van zilveren nanodeeltjes (Ag-NP's) met behulp van natuurlijke honing als reductie- en stabilisatiemiddel. Het proces, waarbij zilvernitraat (AgNO₃) wordt gereduceerd onder ultrasone bestraling, wordt gekarakteriseerd door verschillende parameters, waaronder zilverionenconcentratie, honingconcentratie en sonificatietijd. De resulterende Ag-NP's hebben een gemiddelde grootte van ongeveer 11,8 nm en vertonen antibacteriële eigenschappen tegen pathogene bacteriën zoals Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa en E. coli.
Het onderzoek benadrukt de voordelen van het gebruik van honing bij de synthese van nanodeeltjes, met de nadruk op de groene, goedkope en niet-giftige aard ervan. De auteurs tonen aan dat de grootte en opbrengst van Ag-NP's gecontroleerd kunnen worden door de reactieparameters aan te passen, zoals de zilverconcentratie, het honinggehalte en de duur van de sonicatie. De gesynthetiseerde Ag-NP's bleken effectieve antibacteriële activiteit te bezitten, met name tegen E. coli en S. aureus, met minimale remmende concentraties (MIC) van ongeveer 19,46 ppm. Deze methode biedt een potentiële toepassing voor Ag-NP's op medisch gebied, waaronder wondgenezing en infectiebeheersing.

• Materialen: zilvernitraat (AgNO₃) als zilverprecursor; honing als dekmiddel / reduceermiddel; water
• Ultrasoon apparaat: Sonde-type sonicator UP400St

Ultrasoon syntheseprotocol

De beste omstandigheden om colloïdale zilvernanodeeltjes te synthetiseren bleken de volgende te zijn: Reduceren van zilvernitraat onder ultrasoon bemiddeld door natuurlijke honing. Kort gezegd werd 20 ml zilvernitraatoplossing (0,3 M) met honing (20 wt%) blootgesteld aan ultrasone bestraling met hoge intensiteit onder omgevingsomstandigheden gedurende 30 minuten. De ultrasone straling werd uitgevoerd met de sonde-ultrasone UP400S (400 W, 24 kHz) die direct in de reactieoplossing was ondergedompeld.
Honing van voedselkwaliteit wordt gebruikt als afdekkings-, stabilisatie- en reductiemiddel, waardoor de waterige nucleatieoplossing en de neergeslagen nanodeeltjes schoon en veilig zijn voor allerlei toepassingen.
Naarmate de ultrasoontijd toeneemt, worden de zilveren nanodeeltjes kleiner en wordt hun concentratie verhoogd.
In de waterige honingoplossing is ultrasone trillingen een belangrijke factor die de vorming van zilveren nanodeeltjes beïnvloedt. Sonificatieparameters zoals amplitude, tijd en continu vs. pulserend ultrageluid zijn belangrijke factoren waarmee de grootte en hoeveelheid van de zilveren nanodeeltjes kan worden geregeld.

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

Resultaat van Ultrasone Synthese van Zilveren Nanodeeltjes

De ultrasoon bevorderde, honing-gemedieerde synthese met de sonicator UP400St resulteerde in sferische 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-pot-methode. Het gebruik van water en honing als materialen maakt de reactie kosteneffectief en uitzonderlijk milieuvriendelijk.
De voorgestelde techniek van ultrasone synthese met honing als reductie- en afdekmiddel kan worden uitgebreid naar andere edele metalen, zoals goud, palladium en koper, wat verschillende aanvullende toepassingen biedt, van geneeskunde tot industrie.

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

Beïnvloeding van nucleatie en deeltjesgrootte door Sonicatie

Ultrasoon geluid maakt de productie van nanodeeltjes zoals zilveren nanodeeltjes op maat mogelijk. Drie algemene opties voor sonicatie hebben belangrijke effecten op de output:
Initiële sonificatie: De korte toepassing van ultrasone geluidsgolven op een oververzadigde oplossing kan het zaaien en de vorming van kernen initiëren. Omdat sonicatie alleen in de beginfase wordt toegepast, verloopt de daaropvolgende kristalgroei ongehinderd, wat resulteert in grotere kristallen.
Continue Sonicatie: De continue bestraling van de oververzadigde oplossing resulteert in kleine kristallen omdat de ononderbroken ultrasone trilling veel kernen creëert die resulteren in de groei van veel kleine kristallen.
Gepulseerde Sonicatie: Gepulseerd ultrageluid betekent de toepassing van ultrageluid in bepaalde intervallen. Een nauwkeurig gecontroleerde input van ultrasone energie maakt het mogelijk om de kristalgroei te beïnvloeden om een kristalgrootte op maat te verkrijgen.

Ultrasoneatoren met hoge prestaties voor synthese van nanodeeltjes

Hielscher Ultrasonics biedt krachtige, betrouwbare ultrasone processoren die zijn ontworpen voor geavanceerde sonochemische toepassingen, waaronder sonosynthese en sonokatalyse. Ultrasoon mengen en dispergeren verbeteren de massaoverdracht aanzienlijk, bevorderen het bevochtigen van atoomclusters en vergemakkelijken hun daaropvolgende nucleatie, wat leidt tot de efficiënte neerslag van nanodeeltjes. Ultrasone synthese wordt erkend als een eenvoudige, kosteneffectieve, biocompatibele, reproduceerbare, snelle en veilige methode voor de productie van nanomaterialen van hoge kwaliteit. (Lees meer over de sonochemische synthese van Perovskiet en ZnO nanostructuren!)

Hielscher ultrasoontoestellen zijn ontworpen voor nauwkeurige controle, waardoor optimale omstandigheden ontstaan voor de nucleatie en groei van nanomaterialen. Deze digitale apparaten zijn voorzien van intelligente software, een kleurentouchscreen en een intuïtief menu voor een veilige en gebruiksvriendelijke bediening. Bovendien worden ze geleverd met automatische gegevensregistratie op een ingebouwde SD-kaart, zodat het proces naadloos gedocumenteerd kan worden.

Met een uitgebreide reeks systemen - van compacte 50-watt handheld ultrasoonapparatuur voor laboratoriumgebruik tot robuuste 16.000-watt industriële systemen - biedt Hielscher de ideale ultrasoonoplossing voor elke toepassing. Hielscher ultrasoonapparatuur is ontworpen met het oog op duurzaamheid en is gebouwd om continu te functioneren onder zware omstandigheden, zelfs in veeleisende omgevingen, zodat betrouwbare prestaties 24/7 gegarandeerd zijn.
De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines:

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