Synteza nanosrebra za pomocą miodu i ultradźwięków

Nano-srebro jest wykorzystywane ze względu na swoje właściwości antybakteryjne do wzmacniania materiałów w medycynie i materiałoznawstwie. Ultradźwięki pozwalają na szybką, skuteczną, bezpieczną i przyjazną dla środowiska syntezę sferycznych nanocząstek srebra w wodzie. Ultradźwiękowa synteza nanocząstek może być łatwo skalowana od małej do dużej produkcji.

Wspomagana ultradźwiękami synteza koloidalnego nanosrebra

Synteza sonochemiczna, która odnosi się do reakcji chemicznych ułatwionych przez promieniowanie ultradźwiękowe, jest szeroko stosowaną metodą wytwarzania nanocząstek. Należą do nich srebro, złoto, magnetyt, hydroksyapatyt, chlorochina, perowskit, lateks i wiele innych nanomateriałów.

Ultradźwiękowa synteza chemiczna na mokro

Opracowano wiele wspomaganych ultradźwiękami dróg syntezy do produkcji nanocząstek srebra. Jedna z godnych uwagi metod wykorzystuje miód zarówno jako środek redukujący, jak i zamykający. Składniki miodu, takie jak glukoza i fruktoza, działają synergistycznie w tych rolach podczas procesu syntezy.
Podobnie jak w przypadku wielu technik syntezy nanocząstek, ultradźwiękowa synteza nanosrebra należy do kategorii chemii mokrej. Proces rozpoczyna się od zarodkowania nanocząstek srebra w roztworze. Podczas sonikacji, prekursor srebra (np. azotan srebra (AgNO₃) lub nadchloran srebra (AgClO₄)) jest redukowane w obecności środka redukującego, takiego jak miód, w celu wytworzenia srebra koloidalnego.

Mechanizm zarodkowania i wzrostu srebra ultradźwiękowego

Początkowa faza nukleacji: Wraz ze wzrostem stężenia rozpuszczonych jonów srebra, metaliczne jony srebra zaczynają wiązać się, tworząc małe klastry. Na tym etapie klastry te są energetycznie niestabilne ze względu na ujemny bilans energetyczny. Energia wymagana do utworzenia nowych powierzchni przewyższa energię uzyskaną poprzez zmniejszenie stężenia rozpuszczonego srebra.

• Promień krytyczny: Gdy klaster osiągnie określony rozmiar (promień krytyczny), proces ten staje się energetycznie korzystny, stabilizując klaster. Stabilność ta pozwala klastrowi działać jako jądro dla dalszego wzrostu.
• Faza wzrostu: Podczas wzrostu dodatkowe atomy srebra dyfundują przez roztwór i przyłączają się do powierzchni rosnących nanocząstek. Wzrost trwa do momentu, gdy stężenie rozpuszczonego srebra spadnie poniżej progu zarodkowania, zatrzymując tworzenie nowych jąder.
• Dyfuzja i zakończenie: Pozostałe rozpuszczone srebro jest włączane do istniejących nanocząstek, kończąc proces.

Sonikacja przyspiesza przenoszenie masy, w szczególności procesy zwilżania i dyfuzji, co prowadzi do szybszego zarodkowania i kontrolowanego wzrostu. Precyzyjnie dostosowując parametry sonikacji, takie jak intensywność i czas trwania, można precyzyjnie dostroić rozmiar, tempo wzrostu i kształt nanocząstek. Ta precyzyjna kontrola zapewnia spójne struktury nanocząstek dostosowane do konkretnych zastosowań.

Synteza wspomagana ultradźwiękami wyróżnia się jako skuteczne, skalowalne i zielone podejście chemiczne do produkcji nanosrebra o dobrze zdefiniowanych właściwościach, oferując znaczące korzyści dla różnych zastosowań w badaniach i przemyśle.

Kliknij tutaj, aby przeczytać więcej o innej ekologicznej metodzie ultradźwiękowej syntezy nanosrebra przy użyciu karagenu!

Sonikacja ułatwia szybką, zieloną syntezę małych nanocząstek srebra o wąskim rozkładzie wielkości.

Studium przypadku ultradźwiękowej syntezy nanosrebra

Badanie zatytułowane “Synteza nanocząstek srebra na bazie miodu i wspomagana ultradźwiękami oraz ich działanie antybakteryjne” Oskuee et al. (2016) bada prostą i przyjazną dla środowiska metodę syntezy nanocząstek srebra (Ag-NPs) przy użyciu naturalnego miodu jako środka redukującego i stabilizującego. Proces, który obejmuje redukcję azotanu srebra (AgNO₃) pod wpływem promieniowania ultradźwiękowego, charakteryzuje się różnymi parametrami, w tym stężeniem jonów srebra, stężeniem miodu i czasem sonikacji. Powstałe Ag-NPs mają średni rozmiar około 11,8 nm i wykazują właściwości antybakteryjne przeciwko bakteriom chorobotwórczym, takim jak Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa i E. coli.
Badanie podkreśla zalety stosowania miodu w syntezie nanocząstek, podkreślając jego ekologiczny, tani i nietoksyczny charakter. Autorzy wykazali, że wielkość i wydajność Ag-NPs można kontrolować poprzez dostosowanie parametrów reakcji, takich jak stężenie srebra, zawartość miodu i czas trwania sonikacji. Wykazano, że zsyntetyzowane Ag-NPs mają skuteczne działanie przeciwbakteryjne, szczególnie przeciwko E. coli i S. aureus, z minimalnymi stężeniami hamującymi (MIC) wynoszącymi około 19,46 ppm. Metoda ta stanowi potencjalne zastosowanie Ag-NPs w medycynie, w tym w gojeniu ran i kontroli infekcji.

• Materiały: azotan srebra (AgNO₃) jako prekursor srebra; miód jako środek zamykający/redukujący; woda
• Urządzenie ultradźwiękowe: Sonikator sondowy UP400St

Protokół syntezy ultradźwiękowej

Stwierdzono, że najlepsze warunki do syntezy koloidalnych nanocząstek srebra są następujące: Redukcja azotanu srebra pod wpływem ultradźwięków za pośrednictwem naturalnego miodu. W skrócie, 20 ml roztworu azotanu srebra (0,3 M) zawierającego miód (20% wagowych) poddano działaniu ultradźwięków o wysokiej intensywności w warunkach otoczenia przez 30 minut. Ultradźwięki przeprowadzono za pomocą sondy ultradźwiękowej UP400S (400 W, 24 kHz) zanurzonej bezpośrednio w roztworze reakcyjnym.
Miód spożywczy jest stosowany jako środek zamykający / stabilizujący i redukujący, który sprawia, że wodny roztwór zarodkujący i wytrącone nanocząstki są czyste i bezpieczne dla różnorodnych zastosowań.
Wraz ze wzrostem czasu ultradźwięków nanocząstki srebra stają się mniejsze, a ich stężenie wzrasta.
W wodnym roztworze miodu ultradźwięki są kluczowym czynnikiem wpływającym na powstawanie nanocząstek srebra. Parametry sonikacji, takie jak amplituda, czas i ciągłe vs pulsujące ultradźwięki są głównymi czynnikami, które pozwalają kontrolować wielkość i ilość nanocząstek srebra.

Rozkład wielkości cząstek Ag-NPs syntetyzowanych w optymalnych warunkach; stężenie srebra (0,3 M), stężenie miodu (20% mas.) i czas naświetlania ultradźwiękowego (30 min)
Źródło zdjęcia: ©Oskuee et al. 2016

Wynik ultradźwiękowej syntezy nanocząstek srebra

Promowana ultradźwiękami synteza z udziałem miodu za pomocą sonikatora UP400St spowodowała powstanie sferycznych nanocząstek srebra (Ag-NPs) o średniej wielkości cząstek około 11,8 nm. Ultradźwiękowa synteza nanocząstek srebra jest prostą i szybką metodą jednogarnkową. Wykorzystanie wody i miodu jako materiałów sprawia, że reakcja jest opłacalna i wyjątkowo przyjazna dla środowiska.
Przedstawiona technika syntezy ultradźwiękowej z wykorzystaniem miodu jako środka redukującego i zamykającego może być rozszerzona na inne metale szlachetne, takie jak złoto, pallad i miedź, co oferuje różne dodatkowe zastosowania, od medycyny po przemysł.

Rozkład wielkości cząstek Ag-NPs syntetyzowanych w optymalnych warunkach; stężenie srebra (0,3 M), stężenie miodu (20% mas.) i czas naświetlania ultradźwiękowego (30 min)
Badanie i zdjęcie: ©Oskuee et al. 2016

Wpływanie na zarodkowanie i wielkość cząstek za pomocą sonikacji

Ultradźwięki umożliwiają produkcję nanocząstek, takich jak nanocząstki srebra, dostosowanych do wymagań. Trzy ogólne opcje sonikacji mają istotny wpływ na wydajność:
Początkowa sonikacja: Krótkie zastosowanie fal ultradźwiękowych do przesyconego roztworu może zainicjować wysiew i tworzenie jąder. Ponieważ sonikacja jest stosowana tylko na początkowym etapie, późniejszy wzrost kryształów przebiega bez przeszkód, co skutkuje większymi kryształami.
Ciągła sonikacja: Ciągłe napromienianie przesyconego roztworu powoduje powstawanie małych kryształów, ponieważ nieprzerwane ultradźwięki tworzą wiele jąder, co powoduje wzrost wielu małych kryształów.
Sonikacja impulsowa: Impulsowe ultradźwięki oznaczają zastosowanie ultradźwięków w określonych odstępach czasu. Precyzyjnie kontrolowany wkład energii ultradźwiękowej pozwala wpływać na wzrost kryształów w celu uzyskania dostosowanego rozmiaru kryształu.

Wysokowydajne ultradźwięki do syntezy nanocząstek

Hielscher Ultrasonics oferuje wysokiej mocy, niezawodne procesory ultradźwiękowe przeznaczone do zaawansowanych zastosowań sonochemicznych, w tym sonosyntezy i sonokatalizy. Ultradźwiękowe mieszanie i dyspergowanie znacznie poprawia przenoszenie masy, sprzyja zwilżaniu klastrów atomowych i ułatwia ich późniejsze zarodkowanie, prowadząc do skutecznego wytrącania nanocząstek. Synteza ultradźwiękowa jest uznawana za prostą, opłacalną, biokompatybilną, powtarzalną, szybką i bezpieczną metodę wytwarzania wysokiej jakości nanomateriałów. (Przeczytaj więcej o sonochemicznej syntezie perowskitu i Nanostruktury ZnO!)

Ultradźwięki Hielscher zostały zaprojektowane z myślą o precyzyjnej kontroli, umożliwiając optymalne warunki zarodkowania i wzrostu nanomateriałów. Te cyfrowe urządzenia wyposażone są w inteligentne oprogramowanie, kolorowy wyświetlacz dotykowy i intuicyjne menu zapewniające bezpieczną i przyjazną dla użytkownika obsługę. Dodatkowo są one wyposażone w automatyczną rejestrację danych na wbudowanej karcie SD, zapewniając płynną dokumentację procesu.

Dzięki szerokiej gamie systemów - od kompaktowych 50-watowych ręcznych ultradźwiękowców do użytku laboratoryjnego po solidne 16 000-watowe systemy przemysłowe - Hielscher zapewnia idealne rozwiązanie ultradźwiękowe do każdego zastosowania. Zaprojektowany z myślą o trwałości, sprzęt ultradźwiękowy Hielscher jest zbudowany do ciągłej pracy w ciężkich warunkach, nawet w wymagających środowiskach, zapewniając niezawodne działanie 24/7.
Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców:

Porównanie konwencjonalnych i ekologicznych metod syntezy nanocząstek.