Synthese van nanozilver met honing en ultrasoon geluid

Nanozilver wordt vanwege zijn antibacteriële eigenschappen gebruikt om materialen in de geneeskunde en materiaalkunde te versterken. Ultrasoonbehandeling maakt een snelle, doeltreffende, veilige en milieuvriendelijke synthese van bolvormige zilveren nanodeeltjes in water mogelijk. De ultrasone synthese van nanodeeltjes kan eenvoudig worden opgeschaald van kleinschalige naar grootschalige productie.

Ultrasoon ondersteunde synthese van colloïdaal nanozilver

Sonochemische synthese, waarmee chemische reacties worden bedoeld die door ultrasone bestraling worden bevorderd, is een veelgebruikte methode om nanodeeltjes te produceren. Hieronder vallen zilver, goud, magnetiet, hydroxyapatiet, perovskiet, latex en vele andere nanomaterialen.

Ultrasone natchemische synthese

Er zijn meerdere ultrasoon ondersteunde syntheseroutes ontwikkeld voor de productie van zilveren nanodeeltjes. Een opvallende methode gebruikt honing als zowel reductiemiddel als oppervlaktepassiverend middel. Bestanddelen van honing, zoals glucose en fructose, werken tijdens het syntheseproces synergetisch in deze rollen.
Net als veel technieken voor de synthese van nanodeeltjes valt de ultrasone synthese van nanozilver onder de natte chemie. Het proces begint met de kiemvorming van zilveren nanodeeltjes in een oplossing. Tijdens sonicatie wordt een zilverprecursor (bijv. zilvernitraat (AgNO₃), of zilverperchloraat (AgClO₄ )) gereduceerd in aanwezigheid van een reductiemiddel, zoals honing, om colloïdaal zilver te produceren.

Mechanisme van ultrasone kiemvorming en groei van zilver

Initiële kiemvormingsfase: Naarmate de concentratie opgeloste zilverionen toeneemt, beginnen metallische zilverionen zich aan elkaar te binden en kleine clusters te vormen. In deze fase zijn deze clusters energetisch instabiel door een negatieve energiebalans. De energie die nodig is om nieuwe oppervlakken te creëren, is groter dan de energie die wordt gewonnen door de concentratie opgelost zilver te verlagen.

• Kritische straal: Wanneer een cluster een bepaalde grootte bereikt (de kritische straal), wordt het proces energetisch gunstig, waardoor het cluster wordt gestabiliseerd. Dankzij deze stabiliteit kan het cluster als kiem voor verdere groei dienen.
• Groeifase: Tijdens de groei diffunderen extra zilveratomen door de oplossing en hechten ze zich aan het oppervlak van het groeiende nanodeeltje. De groei gaat door totdat de concentratie opgelost zilver onder de kiemvormingsdrempel daalt, waardoor de vorming van nieuwe kiemen stopt.
• Diffusie en voltooiing: Het resterende opgeloste zilver wordt opgenomen in bestaande nanodeeltjes, waarmee het proces wordt voltooid.

Sonicatie versnelt de massaoverdracht, met name de bevochtigings- en diffusieprocessen, wat leidt tot snellere kiemvorming en gecontroleerde groei. Door sonicatieparameters, zoals intensiteit en duur, nauwkeurig aan te passen, kunnen de grootte, groeisnelheid en vorm van de nanodeeltjes fijn worden afgestemd. Deze nauwkeurige controle zorgt voor consistente nanodeeltjesstructuren die op specifieke toepassingen zijn afgestemd.

Ultrasoon ondersteunde synthese onderscheidt zich als een effectieve, schaalbare benadering binnen de groene chemie voor de productie van nanozilver met duidelijk gedefinieerde eigenschappen, die aanzienlijke voordelen biedt voor uiteenlopende 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.

Casestudy van ultrasone synthese van nanozilver

De studie met de titel “Honey-Based and Ultrasonic-Assisted Synthesis of Silver Nanoparticles and Their Antibacterial Activities” van Oskuee et al. (2016) onderzoekt een eenvoudige en milieuvriendelijke methode om zilveren nanodeeltjes (Ag-NPs) te synthetiseren met natuurlijke honing als zowel reductiemiddel als stabilisator. Het proces, waarbij zilvernitraat (AgNO₃) onder ultrasone bestraling wordt gereduceerd, wordt gekenmerkt door verschillende parameters, waaronder de zilverionenconcentratie, honingconcentratie en sonicatietijd. De resulterende Ag-NPs hebben een gemiddelde grootte van ongeveer 11,8 nm en vertonen antibacteriële eigenschappen tegen pathogene bacteriën zoals Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa en E. coli.
De studie belicht de voordelen van het gebruik van honing bij de synthese van nanodeeltjes en benadrukt het groene, goedkope en niet-toxische karakter ervan. De auteurs tonen aan dat de grootte en opbrengst van Ag-NPs kunnen worden gecontroleerd door reactieparameters zoals de zilverconcentratie, het honinggehalte en de sonicatieduur aan te passen. Er werd aangetoond dat de gesynthetiseerde Ag-NPs een effectieve antibacteriële werking hebben, 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-NPs in medische gebieden, waaronder wondgenezing en infectiebestrijding.

• Materialen: zilvernitraat (AgNO₃) als zilverprecursor; honing als oppervlaktepassiverend middel / reductiemiddel; water
• Ultrasoon apparaat: Sonicator met sonde UP400St

Protocol voor ultrasone synthese

De beste omstandigheden om colloïdale zilveren nanodeeltjes te synthetiseren bleken de volgende te zijn: reductie van zilvernitraat onder ultrasoonbehandeling met natuurlijke honing. Kort samengevat werd 20 ml zilvernitraatoplossing (0,3 M) met honing (20 wt%) gedurende 30 min onder omgevingsomstandigheden blootgesteld aan ultrasone bestraling met hoge intensiteit. De ultrasoonbehandeling werd uitgevoerd met de sonicator met sonde UP400S (400W, 24 kHz), die rechtstreeks in de reactieoplossing werd ondergedompeld.
Honing van voedingskwaliteit wordt gebruikt als oppervlaktepassiverend middel / stabilisator en reductiemiddel, waardoor de waterige kiemvormingsoplossing en de neergeslagen nanodeeltjes schoon en veilig zijn voor talrijke toepassingen.
Naarmate de duur van de ultrasoonbehandeling toeneemt, worden de zilveren nanodeeltjes kleiner en neemt hun concentratie toe.
In de waterige honingoplossing is ultrasoonbehandeling een sleutelfactor die de vorming van zilveren nanodeeltjes beïnvloedt. Sonicatieparameters zoals amplitude, tijd en continu versus pulserend ultrasoon geluid zijn belangrijke factoren waarmee de grootte en hoeveelheid van de zilveren nanodeeltjes kunnen worden gecontroleerd.

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

Resultaat van de ultrasone synthese van zilveren nanodeeltjes

De ultrasoon bevorderde synthese met honing en de sonicator UP400St resulteerde in bolvormige zilveren nanodeeltjes (Ag-NPs) met een gemiddelde deeltjesgrootte van ongeveer 11,8nm. De ultrasone synthese van de zilveren nanodeeltjes is een eenvoudige en snelle eenpotsmethode. Het gebruik van water en honing als materialen maakt de reactie kosteneffectief en uitzonderlijk milieuvriendelijk.
De gepresenteerde techniek voor ultrasone synthese met honing als reductiemiddel en oppervlaktepassiverend middel kan worden uitgebreid naar andere edelmetalen, zoals goud, palladium en koper, wat diverse aanvullende toepassingen biedt, van geneeskunde tot industrie.

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

Kiemvorming en deeltjesgrootte beïnvloeden door sonicatie

Ultrasoon geluid maakt de productie mogelijk van nanodeeltjes, zoals zilveren nanodeeltjes, die op de vereisten zijn afgestemd. Drie algemene sonicatiemogelijkheden hebben belangrijke effecten op het resultaat:
Initiële sonicatie: Het kort toepassen van ultrasone golven op een oververzadigde oplossing kan het enten en de vorming van kiemen initiëren. Omdat sonicatie alleen tijdens 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 ultrasoonbehandeling veel kiemen creëert, wat leidt tot de groei van veel kleine kristallen.
Gepulseerde sonicatie: Gepulseerd ultrasoon geluid betekent dat ultrasoon geluid met bepaalde intervallen wordt toegepast. Een nauwkeurig gecontroleerde toevoer van ultrasone energie maakt het mogelijk de kristalgroei te beïnvloeden om een op de vereisten afgestemde kristalgrootte te verkrijgen.

Sonicatoren met hoge prestaties voor de 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 de bevochtiging van atoomclusters en vergemakkelijken hun daaropvolgende kiemvorming, wat leidt tot efficiënte neerslagvorming van nanodeeltjes. Ultrasone synthese wordt erkend als een eenvoudige, kosteneffectieve, biocompatibele, reproduceerbare, snelle en veilige methode om hoogwaardige nanomaterialen te produceren. (Lees meer over de sonochemische synthese van perovskiet en ZnO-nanostructuren!)

De sonicatoren van Hielscher zijn ontworpen voor nauwkeurige controle, waardoor optimale omstandigheden voor de kiemvorming en groei van nanomaterialen mogelijk zijn. Deze digitale apparaten beschikken over intelligente software, een kleurentouchscreen en een intuïtief menu voor veilige en gebruiksvriendelijke bediening. Daarnaast hebben ze automatische gegevensregistratie op een ingebouwde SD-kaart, wat zorgt voor naadloze procesdocumentatie.

Met een uitgebreid assortiment systemen – van compacte handsonicatoren van 50 watt voor laboratoriumgebruik tot robuuste industriële systemen van 16.000 watt – biedt Hielscher de ideale ultrasone oplossing voor elke toepassing. De ultrasone apparatuur van Hielscher is ontworpen voor duurzaamheid en gebouwd om continu onder zware belasting te werken, zelfs in veeleisende omgevingen, en garandeert betrouwbare prestaties 24/7.
De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze sonicatoren:

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