Synteza nanosrebra z użyciem miodu i ultradźwięków

Nanosrebro wykorzystuje się ze względu na jego właściwości antybakteryjne do wzmacniania materiałów w medycynie i materiałoznawstwie. Ultradźwięki umożliwiają szybką, skuteczną, bezpieczną i przyjazną dla środowiska syntezę kulistych nanocząstek srebra w wodzie. Ultradźwiękową syntezę nanocząstek można łatwo skalować od małej do dużej skali produkcji.

Wspomagana ultradźwiękami synteza koloidalnego nanosrebra

Synteza sonochemiczna, czyli reakcje chemiczne ułatwiane przez napromienianie ultradźwiękami, jest szeroko stosowaną metodą wytwarzania nanocząstek. Należą do nich nanocząstki takich materiałów jak srebro, złoto, magnetyt, hydroksyapatyt, perowskit, lateks oraz wiele innych nanomateriałów.

Ultradźwiękowa synteza metodą chemii mokrej

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

Mechanizm ultradźwiękowego zarodkowania i wzrostu srebra

Początkowa faza zarodkowania: Wraz ze wzrostem stężenia rozpuszczonych jonów srebra jony metalicznego srebra zaczynają się łączyć, tworząc małe klastry. Na tym etapie klastry te są energetycznie niestabilne z powodu ujemnego bilansu energetycznego. Energia potrzebna do utworzenia nowych powierzchni przewyższa energię uzyskaną dzięki zmniejszeniu stężenia rozpuszczonego srebra.

• Promień krytyczny: Gdy klaster osiąga określony rozmiar (promień krytyczny), proces staje się energetycznie korzystny, co stabilizuje klaster. Ta stabilność pozwala klastrowi działać jako zarodek dalszego wzrostu.
• Faza wzrostu: Podczas wzrostu kolejne atomy srebra dyfundują przez roztwór i przyłączają się do powierzchni rosnącej nanocząstki. Wzrost trwa do chwili, gdy stężenie rozpuszczonego srebra spadnie poniżej progu zarodkowania, co zatrzymuje powstawanie nowych zarodków.
• Dyfuzja i zakończenie: Pozostałe rozpuszczone srebro zostaje włączone do istniejących nanocząstek, co kończy proces.

Sonikacja przyspiesza transport masy, zwłaszcza procesy zwilżania i dyfuzji, co prowadzi do szybszego zarodkowania i kontrolowanego wzrostu. Precyzyjna regulacja parametrów sonikacji, takich jak intensywność i czas trwania, pozwala dokładnie dostrajać rozmiar, szybkość wzrostu i kształt nanocząstek. Ta precyzyjna kontrola zapewnia powtarzalne struktury nanocząstek dostosowane do konkretnych zastosowań.

Synteza wspomagana ultradźwiękami wyróżnia się jako skuteczna, skalowalna metoda zielonej chemii służąca do wytwarzania nanosrebra o ściśle określonych właściwościach, oferując znaczące korzyści w różnorodnych zastosowaniach badawczych i przemysłowych.

Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o innej ekologicznej metodzie ultradźwiękowej syntezy nanosrebra z użyciem karagenu!

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

Studium przypadku ultradźwiękowej syntezy nanosrebra

Badanie zatytułowane „Synteza nanocząstek srebra z użyciem miodu i wspomaganiem ultradźwiękowym oraz ich aktywność antybakteryjna”, przeprowadzone przez Oskuee i wsp. (2016), dotyczy prostej i przyjaznej dla środowiska metody syntezy nanocząstek srebra (Ag-NPs) z użyciem naturalnego miodu zarówno jako środka redukującego, jak i stabilizującego. Proces, obejmujący redukcję azotanu srebra (AgNO₃) pod wpływem napromieniania ultradźwiękami, charakteryzują różne parametry, w tym stężenie jonów srebra, stężenie miodu i czas sonikacji. Otrzymane Ag-NPs mają średnią wielkość około 11,8 nm i wykazują właściwości antybakteryjne wobec bakterii chorobotwórczych, takich jak Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa i E. coli.
Badanie wskazuje korzyści wynikające z wykorzystania miodu w syntezie nanocząstek, podkreślając jego ekologiczny, tani i nietoksyczny charakter. Autorzy wykazują, że wielkość Ag-NPs i wydajność ich otrzymywania można kontrolować poprzez regulację parametrów reakcji, takich jak stężenie srebra, zawartość miodu i czas sonikacji. Wykazano, że zsyntetyzowane Ag-NPs wykazują skuteczną aktywność antybakteryjną, szczególnie wobec E. coli i S. aureus, przy minimalnych stężeniach hamujących (MIC) wynoszących około 19,46 ppm. Metoda ta wskazuje na potencjalne zastosowanie Ag-NPs w medycynie, w tym w gojeniu ran i kontroli zakażeń.

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

Protokół syntezy ultradźwiękowej

Stwierdzono, że najlepsze warunki syntezy koloidalnych nanocząstek srebra są następujące: redukcja azotanu srebra pod działaniem ultradźwięków z udziałem naturalnego miodu. W skrócie, 20 ml roztworu azotanu srebra (0,3 M) zawierającego miód (20 wt%) poddano napromienianiu ultradźwiękami o wysokiej intensywności w warunkach otoczenia przez 30 min. Obróbkę ultradźwiękową przeprowadzono przy użyciu sonikatora sondowego UP400S (400W, 24 kHz) zanurzonego bezpośrednio w roztworze reakcyjnym.
Miód o jakości spożywczej stosuje się jako środek osłaniający powierzchnię nanocząstek / stabilizujący oraz redukujący, dzięki czemu wodny roztwór, w którym zachodzi zarodkowanie, i wytrącone nanocząstki są czyste i bezpieczne w licznych zastosowaniach.
Wraz z wydłużaniem czasu obróbki ultradźwiękowej nanocząstki srebra stają się mniejsze, a ich stężenie wzrasta.
W wodnym roztworze miodu obróbka ultradźwiękowa jest kluczowym czynnikiem wpływającym na powstawanie nanocząstek srebra. Parametry sonikacji, takie jak amplituda, czas oraz ciągły lub pulsacyjny tryb działania ultradźwięków, są głównymi czynnikami umożliwiającymi kontrolowanie wielkości i ilości nanocząstek srebra.

Rozkład wielkości cząstek Ag-NPs zsyntetyzowanych w optymalnych warunkach; stężenia srebra (0,3 M), stężenia miodu (20 wt%) i czasy napromieniania ultradźwiękami (30 min)
źródło ilustracji: ©Oskuee et al. 2016

Wynik ultradźwiękowej syntezy nanocząstek srebra

Synteza wspomagana ultradźwiękami z udziałem miodu, przeprowadzona przy użyciu sonikatora UP400St, pozwoliła uzyskać kuliste nanocząstki srebra (Ag-NPs) o średniej wielkości cząstek wynoszącej około 11,8nm. Ultradźwiękowa synteza nanocząstek srebra jest prostą i szybką metodą prowadzoną w jednym naczyniu. Wykorzystanie wody i miodu jako materiałów sprawia, że reakcja jest ekonomiczna i wyjątkowo przyjazna dla środowiska.
Przedstawioną technikę syntezy ultradźwiękowej z użyciem miodu jako środka redukującego i osłaniającego powierzchnię nanocząstek można rozszerzyć na inne metale szlachetne, takie jak złoto, pallad i miedź, co oferuje różne dodatkowe zastosowania, od medycyny po przemysł.

Rozkład wielkości cząstek Ag-NPs zsyntetyzowanych w optymalnych warunkach; stężenia srebra (0,3 M), stężenia miodu (20 wt%) i czas napromieniania ultradźwiękami (30 min)
Badanie i ilustracja: ©Oskuee et al. 2016

Wpływ sonikacji na zarodkowanie i wielkość cząstek

Ultradźwięki umożliwiają wytwarzanie nanocząstek, takich jak nanocząstki srebra, dostosowanych do wymagań. Trzy podstawowe warianty sonikacji mają istotny wpływ na uzyskany produkt:
Sonikacja początkowa: Krótkie zastosowanie fal ultradźwiękowych do roztworu przesyconego może zainicjować zaszczepianie i tworzenie zarodków. Ponieważ sonikację stosuje się tylko w początkowym etapie, późniejszy wzrost kryształów przebiega bez przeszkód, prowadząc do powstania większych kryształów.
Sonikacja ciągła: Ciągłe napromienianie roztworu przesyconego prowadzi do powstania małych kryształów, ponieważ nieprzerwana obróbka ultradźwiękowa wytwarza liczne zarodki, co skutkuje wzrostem wielu małych kryształów.
Sonikacja pulsacyjna: Ultradźwięki pulsacyjne oznaczają stosowanie ultradźwięków w określonych odstępach czasu. Precyzyjnie kontrolowane dostarczanie energii ultradźwiękowej pozwala wpływać na wzrost kryształów w celu uzyskania pożądanej wielkości kryształów.

Wysokowydajne sonikatory do syntezy nanocząstek

Hielscher Ultrasonics oferuje niezawodne procesory ultradźwiękowe o dużej mocy, zaprojektowane do zaawansowanych zastosowań sonochemicznych, w tym sonosyntezy i sonokatalizy. Mieszanie i dyspergowanie ultradźwiękowe znacząco zwiększają transport masy, sprzyjają zwilżaniu klastrów atomowych i ułatwiają ich późniejsze zarodkowanie, prowadząc do wydajnego wytrącania nanocząstek. Synteza ultradźwiękowa jest uznawana za prostą, ekonomiczną, biokompatybilną, powtarzalną, szybką i bezpieczną metodę wytwarzania nanomateriałów wysokiej jakości. (Przeczytaj więcej o sonochemicznej syntezie perowskitu i nanostruktur ZnO!)

Sonikatory Hielscher są zaprojektowane z myślą o precyzyjnym sterowaniu, umożliwiając zapewnienie optymalnych warunków zarodkowania i wzrostu nanomateriałów. Te urządzenia cyfrowe są wyposażone w inteligentne oprogramowanie, kolorowy wyświetlacz dotykowy i intuicyjne menu zapewniające bezpieczną i przyjazną dla użytkownika obsługę. Ponadto oferują automatyczny zapis danych na wbudowanej karcie SD, zapewniając sprawne dokumentowanie procesu.

Dzięki kompleksowej gamie systemów – od kompaktowych, ręcznych sonikatorów do użytku laboratoryjnego (50-watt) po solidne systemy przemysłowe (16 000-watt) – Hielscher zapewnia idealne rozwiązanie ultradźwiękowe do każdego zastosowania. Zaprojektowane z myślą o trwałości urządzenia ultradźwiękowe Hielscher są przystosowane do ciągłej pracy w warunkach dużego obciążenia, nawet w wymagających środowiskach, zapewniając niezawodne działanie 24/7.
Poniższa tabela przedstawia orientacyjną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów:

Porównanie konwencjonalnych metod syntezy nanocząstek z metodami zielonej syntezy.