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, dat zijn synthetische reacties onder ultrasone bestraling, wordt veel gebruikt om nanodeeltjes te produceren zoals zilver, goud en magnetiet, hydroxyapatiet, chloroquine, perovskiet, latex en vele andere nanomaterialen.

Ultrasone natchemische synthese

Voor zilver nanodeeltjes zijn verschillende ultrasoon gestuurde syntheseroutes bekend. Hieronder wordt een ultrasone syntheseroute gepresenteerd waarbij honing wordt gebruikt als reduceermiddel en ligandafdekkend middel. Honingbestanddelen zoals glucose en fructose zijn verantwoordelijk voor hun rol als zowel afdekkings- als reductiemiddel in het syntheseproces.
Zoals de meeste gangbare methoden voor nanodeeltjes synthese, valt ook de ultrasone nano-zilver synthese onder de categorie natte chemie. Ultrasoon bevordert de nucleatie van zilveren nanodeeltjes in een oplossing. De ultrasoon bevorderde nucleatie treedt op wanneer een zilverprecursor (zilverionencomplex), bijvoorbeeld zilvernitraat (AgNO₃) of zilverperchloraat (AgClO₄), wordt gereduceerd tot colloïdaal zilver in aanwezigheid van een reductiemiddel, zoals honing. Onder de voorwaarde dat de concentratie zilverionen in de oplossing voldoende toeneemt, binden opgeloste zilvermetaalionen zich aan elkaar en vormen een stabiel oppervlak. Wanneer het cluster van zilverionen nog klein is, is dit een energetisch ongunstige toestand vanwege een negatieve energiebalans. De negatieve energiebalans ontstaat omdat de energie die wordt gewonnen door het verlagen van de concentratie opgeloste zilverdeeltjes lager is dan de energie die wordt besteed door het creëren van een nieuw oppervlak.
Wanneer het cluster de kritische straal bereikt, het punt waarop het energetisch gunstig wordt, is het stabiel genoeg om verder te groeien. Tijdens de groeifase diffunderen er meer zilveratomen door de oplossing en hechten ze zich aan het oppervlak. Wanneer de concentratie van opgelost atomair zilver tot een bepaald punt daalt, wordt de nucleatiedrempel bereikt zodat de atomen zich niet langer aan elkaar kunnen binden om een stabiele kern te vormen. Bij deze nucleatiedrempel stopt de groei van nieuwe nanodeeltjes en wordt het resterende opgeloste zilver door diffusie opgenomen in de groeiende nanodeeltjes in de oplossing.
Sonificatie bevordert de massaoverdracht, d.w.z. het bevochtigen van de clusters, wat resulteert in een snellere nucleatie. Door nauwkeurig gecontroleerde sonicatie kunnen de groeisnelheid, grootte en vorm van de nanodeeltjesstructuren worden bepaald.
Klik hier om meer te lezen over een andere groene methode om nanozilver ultrasoon te synthetiseren met carrageen!

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

Casestudie van ultrasone nanozilver synthese

Materialen: zilvernitraat (AgNO₃) als zilverprecursor; honing als dekmiddel / reduceermiddel; water
Ultrasoon apparaat: 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. Ultrasone straling werd uitgevoerd met een ultrasoonapparaat van het probe-type UP400S (400 W, 24 kHz) direct in de reactieoplossing ondergedompeld.

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

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.

Resultaat van Ultrasone Synthese van Zilveren Nanodeeltjes

De ultrasoon bevorderde, honing-gemedieerde synthese met de 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.

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

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

Hielscher Ultrasonics levert krachtige en betrouwbare ultrasone processoren voor sonochemische toepassingen, waaronder sonosynthese en sonokatalyse. Ultrasoon mengen en dispergeren verhoogt de massaoverdracht en bevordert de bevochtiging en daaropvolgende nucleatie van atoomclusters om nanodeeltjes te precipiteren. 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 precipitatie van nanomaterialen. Alle digitale apparaten zijn uitgerust met intelligente software, gekleurd aanraakscherm, automatische gegevensregistratie op een ingebouwde SD-kaart en hebben een intuïtief menu voor een gebruiksvriendelijke en veilige bediening.
Hielscher heeft het complete vermogensbereik van handbediende ultrasoontoestellen van 50 watt voor in het lab tot krachtige industriële ultrasoonsystemen van 16.000 watt. Hielscher heeft de ideale ultrasoonopstelling voor uw toepassing. De robuustheid van Hielscher's ultrasoonapparatuur maakt een 24/7 werking mogelijk bij zware belasting en in veeleisende omgevingen.
De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines: