Síntese Eficiente e Controlada de Nanopartículas de Ouro

Nanopartículas de ouro de forma uniforme e morfologia podem ser eficientemente sintetizadas através da rota sonológica. A reação química ultrasonicamente promovida da síntese de nanopartículas de ouro pode ser precisamente controlada para tamanho de partícula, forma (por exemplo, nanosferas, nanorods, nanobelts etc.) e morfologia. O procedimento químico eficaz, simples, rápido e verde permite uma produção confiável de nanoestruturas de ouro em escala industrial.

Nanopartículas de Ouro e Nanoestruturas

Nanopartículas de ouro e estruturas nano-dimensionadas são amplamente implementadas em R&Processos industriais e d devido às propriedades únicas do ouro nano-tamanho, incluindo características eletrônicas, magnéticas e ópticas, efeitos do tamanho quântico, ressonância de plasmon superficial, alta atividade catalítica, auto-montagem entre outras propriedades. Os campos de aplicação de nanopartículas de ouro (Au-NPs) variam desde o uso como catalisador até a fabricação de dispositivos nanoeletrônicos, bem como o uso em imagens, nano-fotônicas, nanomagnéticos, biosensores, sensores químicos, para aplicações ópticas e teranosticas, entrega de medicamentos, bem como outras utilizaçãos.

Métodos de Síntese de Nanopartículas de Ouro

Partículas de ouro nanoestrusas podem ser sintetizadas através de várias rotas usando ultrassônicas de alto desempenho. A ultrassônica não é apenas uma técnica simples, eficiente e confiável, além disso a sônica cria condições para a redução química de íons de ouro sem agentes químicos tóxicos ou severos e permite a formação de nanopartículas metálicas nobres de diferentes morfologias. A escolha da rota e do tratamento sonológico (também conhecido como sonosíntese) permite produzir nanoestruturas de ouro, como nanossanos de ouro, nanorods, nanobelts etc. com tamanho uniforme e morfologia.
Abaixo você pode encontrar caminhos sonoquímicos selecionados para a preparação de nanopartículas de ouro.

Método Turkevich ultrasonicamente melhorado

A sonicação é usada para intensificar a reação de redução de citratos de Turkevich, bem como procedimentos modificados de Turkevich.
O método Turkevich produz nanopartículas de ouro esféricas modestamente monodispersas de cerca de 10 a 20nm de diâmetro. Partículas maiores podem ser produzidas, mas ao custo da monodispersidade e forma. Neste método, o ácido cloroaurico quente é tratado com solução de citrato de sódio, produzindo ouro coloidal. A reação de Turkevich prossegue através da formação de nanofios de ouro transitórios. Estes nanofios de ouro são responsáveis pela aparência escura da solução de reação antes de ficar vermelho-rubi.
Fuentes-García et al. (2020), que sonoquimicamente sintetizaram nanopartículas de ouro, relatam que é viável fabricar nanopartículas de ouro com alta interação de absorção usando a ultrassonicação como única fonte de energia, reduzindo os requisitos laboratoriais e controlando propriedades modificando parâmetros simples.
Lee et al. (2012) demonstraram que a energia ultrassônica é um parâmetro-chave para a produção de nanopartículas de ouro esférica (AuNPs) de tamanhos tíficos de 20 a 50 nm. A sonosíntese através da redução do citrato de sódio produz nanopartículas de ouro esféricas monodisperse em solução aquosa em condições atmosféricas.

O Método Turkevich-Frens usando ultrassom

Uma modificação do caminho de reação descrito acima é o método Turkevich-Frens, que é um processo simples de múltiplas etapas para a síntese de nanopartículas de ouro. A ultrassoônica promove o caminho de reação Turkevich-Frens da mesma forma que a rota Turkevich. A etapa inicial do processo de múltiplas etapas de Turkevich-Frens, onde as reações ocorrem em série e em paralelo, é a oxidação do citrato que produz acetona dicarboxy. Então, o sal aurico é reduzido a sal aurous e Au⁰, e o sal aurous é montado no Au⁰ átomos para formar o AuNP (ver esquema abaixo).

Síntese de nanopartículas de ouro através do método Turkevich.
esquema e estudo: ©Zhao et al., 2013

Isso significa que a acetona dicarboxy resultante da oxidação do citrato em vez de citratar-se está agindo como o estabilizador AuNP real na reação Turkevich-Frens. O sal citrato modifica adicionalmente o pH do sistema, que influencia o tamanho e a distribuição de tamanho das nanopartículas de ouro (AuNPs). Estas condições da reação turkevich-frens produzem nanopartículas de ouro quase monodispersas com tamanhos de partículas entre 20 e 40nm. O tamanho exato da partícula pode ser modificado na variação do pH da solução, bem como pelos parâmetros ultrassônicos. Os AuNPs estabilizados por citrato são sempre maiores que 10 nm, devido à capacidade limitada de redução do dihidrato citrato de trisódio. No entanto, usando D₂O como o solvente em vez de H₂O durante a síntese de AuNPs permite sintetizar AuNPs com um tamanho de partícula de 5 nm. Como a adição de D₂O aumentar a força redutora do citrato, a combinação de D₂O e C₆H₉Não, não, não₃O₉. (cf. Zhao et al., 2013)

Protocolo para a Rota Turquesquia-Frens Sonoquímica

A fim de sintetizar nanopartículas de ouro em um procedimento de baixo para cima através do método Turkevich-Frens, 50mL de ácido cloroauúrico (HAuCl₄), 0,025 mM é derramado em um copo de vidro de 100 mL, no qual 1 mL de 1,5% (w/v) solução aquosa de citrato de trisódio (Na₃Ct) é adicionado sob ultrassônica à temperatura ambiente. A ultrassônica foi realizada em 60W, 150W e 210W. O Na₃Ct/HAuCl₄ a razão utilizada nas amostras é de 3:1 (w/v). Após a ultrassonização, as soluções coloidais mostraram cores diferentes, violeta para 60 W e vermelho-rubi para amostras de 150 e 210 W. Tamanhos menores e aglomerados mais esféricos de nanopartículas de ouro foram produzidos pelo aumento do poder de sônica, de acordo com a caracterização estrutural. Fuentes-García et al. (2021) mostram em suas investigações a forte influência do aumento da sônica no tamanho das partículas, estrutura poliédrica e propriedades ópticas das nanopartículas de ouro sonochemicamente sintetizadas e a cinética de reação para sua formação. Ambas, nanopartículas de ouro com o tamanho de 16nm e 12nm podem ser produzidas com um procedimento sonológico personalizado. (Fuentes-García et al., 2021)

a,b Imagem TEM e (c) distribuição de tamanho de nanopartículas de ouro sintetizadas sonoquimicamente (AuNPs)
Foto e estudo: © Dheyab et al., 2020.

Sonolise das Nanopartículas de Ouro

Outro método para a geração experimental de partículas de ouro é por sonolise, onde o ultrassom é aplicado para a síntese de partículas de ouro com um diâmetro inferior a 10 nm. Dependendo dos reagentes, a reação sonolítica pode ser executada de várias maneiras. Por exemplo, a sônica de uma solução aquosa de HAuCl₄ com glicose, radicais hidroxil e radicais da pirólise açucaram atuam como agentes redutos. Esses radicais se formam na região interfacial entre as cavidades em colapso criadas pelo ultrassom intenso e a água a granel. A morfologia das nanoestruturas de ouro são nanoesléfis de ouro com largura de 30 a 50 nm e comprimento de vários micrômetros. Estas fitas são muito flexíveis e podem dobrar com ângulos maiores que 90°. Quando a glicose é substituída por ciclodextrina, um oligômero de glicose, apenas partículas de ouro esférico são obtidas, sugerindo que a glicose é essencial para direcionar a morfologia para uma fita.

Protocolo Exemplar para Síntese De Nano-Ouro Sonoquímico

Materiais precursores usados para sintetizar AuNPs revestidos de citrato incluem HAuCl₄, citrato de sódio e água destilada. Para preparar a amostra, o primeiro passo envolveu a dissolução do HAuCl₄ em água destilada com concentração de 0,03 M. Posteriormente, a solução do HAuCl₄ (2 mL) foi adicionado dropwise a 20 mL de solução aquosa de citrato de sódio de 0,03 M. Durante a fase de mistura, uma sonda ultrassônica de alta densidade (20 kHz) com um chifre ultrassônico foi inserida na solução por 5 min a uma potência sonora de 17,9 W·cm²
(cf. Dhabey em al. 2020)

Síntese de Nanobelt de Ouro usando Sonication

Nanobelts cristalinos únicos (ver imagem TEM à esquerda) podem ser sintetizados através da sônica de uma solução aquosa de HAuCl₄ na presença de α-D-glicose como reagens. Os nanobeltos de ouro sonoramente sintetizados mostram uma largura média de 30 a 50 nm e vários micrômetros de comprimento. A reação ultrassônica para a produção de nanobelts de ouro é simples, rápida e evita o uso de substâncias tóxicas. (cf. Zhang et al, 2006)

Surfactantes para influenciar síntese sonoquímica de NPs de ouro

A aplicação de ultrassom intenso em reações químicas inicia e promove a conversão e rendimentos. A fim de obter tamanho uniforme de partículas e certas formas/morfologias direcionadas, a escolha dos surfactantes é um fator crítico. A adição de álcoois também ajuda a controlar a forma e o tamanho das partículas. Por exemplo, na presença de a-d-glicose, as principais reações no processo de sonolise do Aquoso HAuCl₄ como retratado nas equações a seguir (1-4):
(1) H₂ O — > H∙ + OH∙
(2) açúcar — > radicais da pirólise
(3) AIII + redução de radicais — > Au⁰
(4) nAu⁰ — > AuNP (nanobelts)
(cf. Zhao et al., 2014)

O poder dos ultrassonicadores do tipo sonda

Sondas ultrassônicas ou sonotrodes (também chamados de chifres ultrassônicos) fornecem ultrassom de alta intensidade e cavitação acústica em forma muito focada em soluções químicas. Esta transmissão precisamente controlável e eficiente do ultrassom de energia permite condições confiáveis, precisamente controláveis e reprodutíveis, onde vias de reação química podem ser iniciadas, intensificadas e comutáveis. Em contraste, um banho ultrassônico (também conhecido como limpador ultrassônico ou tanque) fornece ultrassom com densidade de energia muito baixa e pontos de cavitação que ocorrem aleatoriamente em um grande volume líquido. Isso torna os banhos ultrassônicos não confiáveis para qualquer reação sonoquímica.
"Banhos de limpeza ultrassônicos têm uma densidade de energia que corresponde a uma pequena porcentagem do que é gerado por um chifre ultrassônico. O uso de banhos de limpeza na sonoquímica é limitado, considerando que o tamanho da partícula totalmente homogênea e a morfologia nem sempre são alcançados. Isso se deve aos efeitos físicos do ultrassom sobre a nucleação e os processos crescentes." (González-Mendoza et al. 2015)

Ultrassonicadores de alto desempenho para a Síntese de Nanopartículas de Ouro

Hielscher Ultrasonics fornece processadores ultrassônicos poderosos e confiáveis para síntese sonológica (sono-síntese) de nanopartículas como ouro e outras nanoestruturas metálicas nobres. A agitação e dispersão ultrassônicas aumenta a transferência de massa em sistemas heterogêneos e promove a motação e posterior nucleação de aglomerados átomos, a fim de precipitar nanopartículas. A síntese ultrassônica de nanopartículas é um método simples, econômico, biocompatível, reprodutível, rápido e seguro.
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Cobrindo a gama completa de potência de ultrassonicadores portáteis de 50 watts para o laboratório até 16.000 watts poderosos sistemas ultrassônicos industriais, a Hielscher tem a configuração ultrassônica ideal para sua aplicação. Equipamentos sonológicos para produção em lote e contínua em reatores de fluxo estão prontamente disponíveis em qualquer tamanho de bancada e industrial. A robustez dos equipamentos ultrassônicos da Hielscher permite a operação 24 horas por dia, 7 dias por semana, em ambientes pesados e em ambientes exigentes.

A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximado de nossos ultrasonicators: