Nanoparticulele de aur de formă și morfologie uniformă pot fi sintetizate eficient pe cale sonochimică. Reacția chimică promovată ultrasonically a sintezei nanoparticulelor de aur poate fi controlată cu precizie pentru dimensiunea particulelor, formă (de exemplu, nanosfere, nanorods, nanobelte etc.) și morfologie. Procedura chimică eficientă, simplă, rapidă și verde permite producerea fiabilă a nanostructurilor de aur la scară industrială.

Nanoparticule de aur și nanostructuri

Nanoparticulele de aur și structurile de dimensiuni nano sunt implementate pe scară largă în R&D și procesele industriale datorită proprietăților unice ale aurului de dimensiuni nano, inclusiv caracteristicile electronice, magnetice și optice, efectele de dimensiune cuantică, rezonanța plasmonului de suprafață, activitatea catalitică ridicată, auto-asamblarea, printre alte proprietăți. Domeniile de aplicare pentru nanoparticulele de aur (Au-NPs) variază de la utilizarea ca catalizator la fabricarea dispozitivelor nanoelectronice, precum și utilizarea în imagistică, nano-fotonică, nanomagnetice, biosenzori, senzori chimici, pentru aplicații optice și teranostice, livrarea de medicamente, precum și alte utilizări.

Metode de sinteză a nanoparticulelor de aur

Nano-structurat particule de aur pot fi sintetizate prin diferite rute folosind ultrasonication de înaltă performanță. Ultrasonication nu este doar o tehnică simplă, eficientă și fiabilă, în plus sonicare creează condiții pentru reducerea chimică a ionilor de aur fără agenți chimici toxici sau dure și permite formarea de nanoparticule metalice nobile de morfologii diferite. Alegerea traseului și a tratamentului sonochimic (cunoscut și sub numele de sonosinteză) permite producerea nanostructurilor de aur, cum ar fi nanosherele de aur, nanorods, nanobeltele etc. cu dimensiuni și morfologii uniforme.
Mai jos puteți găsi căi sonochimice selectate pentru prepararea nanoparticulelor de aur.

Ultrasonically îmbunătățită Turkevich Metoda

Sonicare este utilizat pentru a intensifica reacția de reducere a citratului Turkevich, precum și procedurile modificate Turkevich.
Metoda Turkevich produce nanoparticule de aur sferice modest monodisperse cu diametrul de aproximativ 10-20nm. Particule mai mari pot fi produse, dar cu prețul monodispersității și formei. În această metodă, acidul clorauric fierbinte este tratat cu soluție de citrat de sodiu, producând aur coloidal. Reacția Turkevich are loc prin formarea de nanofire tranzitorii de aur. Aceste nanofire de aur sunt responsabile pentru aspectul întunecat al soluției de reacție înainte de a deveni roșu-rubiniu.
Fuentes-García et al. (2020), care a sintetizat sonochimic nanoparticule de aur, raportează că este fezabil să se producă nanoparticule de aur cu interacțiune de absorbție ridicată folosind ultrasonication ca o singură sursă de energie, reducând cerințele de laborator și controlând proprietățile care modifică parametrii simpli.
Lee et al. (2012) a demonstrat că energia cu ultrasunete este un parametru cheie pentru producerea nanoparticulelor de aur sferice (AuNPs) de dimensiuni tunabile de 20 până la 50 nm. Sonosinteza prin reducerea citratului de sodiu produce nanoparticule de aur sferice monodisperse în soluție apoasă în condiții atmosferice.

Metoda Turkevich-Frens folosind ultrasunete

O modificare a căii de reacție descrise mai sus este metoda Turkevich-Frens, care este un proces simplu în mai multe etape pentru sinteza nanoparticulelor de aur. Ultrasonication promovează calea de reacție Turkevich-Frens în același mod ca și ruta Turkevich. Pasul inițial al procesului în mai multe etape Turkevich-Frens, unde reacțiile apar în serie și în paralel, este oxidarea citratului care produce acetonă dicarboxi. Apoi, sarea aurică este redusă la sare auroasă și Au⁰, iar sarea au auroasă este asamblată pe Au⁰ atomi pentru a forma AuNP (a se vedea schema de mai jos).

Sinteza nanoparticulelor de aur prin metoda Turkevich.
schemă și studiu: ©Zhao et al., 2013

Aceasta înseamnă că acetona dicarboxi care rezultă din oxidarea citratului, mai degrabă decât citratul în sine, acționează ca stabilizator auNP real în reacția Turkevich-Frens. Sarea citratului modifică suplimentar pH-ul sistemului, ceea ce influențează distribuția dimensiunii și dimensiunii nanoparticulelor de aur (AuNPs). Aceste condiții ale reacției Turkevich-Frens produc nanoparticule de aur aproape monodisperse cu dimensiuni ale particulelor între 20 și 40nm. Dimensiunea exactă a particulelor poate fi modificată la variația pH-ului soluției, precum și de parametrii cu ultrasunete. AuNPs stabilizate cu citrat sunt întotdeauna mai mari de 10 nm, datorită capacității limitate de reducere a citratului trisodic dihidrat. Cu toate acestea, folosind D₂O ca solvent în loc de H₂O în timpul sintezei AuNPs permite sintetizarea AuNPs cu o dimensiune a particulelor de 5 nm. Ca adăugarea de D₂O crește rezistența de reducere a citratului, combinația de D₂O și C₆H₉Na₃O₉. (cf. Zhao et al., 2013)

Protocolul pentru ruta sonochimică Turkevich-Frens

Pentru a sintetiza nanoparticulele de aur într-o procedură de jos în sus prin metoda Turkevich-Frens, 50 ml de acid cloroauric (HAuCl₄), 0,025 mM se toarnă într-un pahar de sticlă de 100 ml, în care se toarnă 1 ml de soluție apoasă de citrat trisodic de 1,5% (g/v) de citrat trisodic (Na₃Ct) se adaugă sub ultrasonication la temperatura camerei. Ultrasonication a fost efectuat la 60W, 150W, și 210W. The Na₃Ct / HAuCl₄ raportul utilizat în probe este de 3:1 (g/v). După sonicare, soluțiile coloidale au arătat culori diferite, violet pentru 60 W și roșu-rubiniu pentru probele de 150 și 210 W. Dimensiuni mai mici și clustere mai sferice de nanoparticule de aur au fost produse prin creșterea puterii sonicare, în funcție de caracterizarea structurală. Fuentes-García et al. (2021) arată în investigațiile lor influența puternică a creșterii sonicare asupra dimensiunii particulelor, structurii poliedrale și proprietăților optice ale nanoparticulelor de aur sintetizate sonochimic și cinetica reacției pentru formarea lor. Ambele nanoparticule de aur cu dimensiunea de 16nm și 12nm pot fi produse cu o procedură sonochimică adaptată. (Fuentes-García et al., 2021)

(a,b) Imaginea TEM și (c) distribuția dimensiunii nanoparticulelor de aur sintetizate sonochimic (AuNPs)
Imagine și studiu: © Dheyab et al., 2020.

Sonolysis de nanoparticule de aur

O altă metodă pentru generarea experimentală a particulelor de aur este prin sonoliză, unde se aplică ultrasunete pentru sinteza particulelor de aur cu un diametru sub 10 nm. În funcție de reactivi, reacția sonolitică poate fi rulată în diferite maniere. De exemplu, sonicare a unei soluții apoase de HAuCl₄ cu glucoză, radicalii hidroxil și radicalii de piroliză de zahăr acționează ca agenți reducători. Acești radicali se formează în regiunea interfaciale dintre cavitățile care se prăbușesc create de ultrasunetele intense și apa în vrac. Morfologia nanostructurilor de aur sunt nanoribbonii cu lățimea de 30-50 nm și lungimea de câțiva micrometri. Aceste panglici sunt foarte flexibile și se pot îndoi cu unghiuri mai mari de 90°. Când glucoza este înlocuită cu ciclodextrină, un oligomer de glucoză, se obțin numai particule de aur sferice, sugerând că glucoza este esențială în direcționarea morfologiei spre o panglică.

Protocol exemplar pentru sinteza sonochimică nano-aur

Materialele precursoare utilizate pentru a sintetiza AuNPs acoperite cu citrat includ HAuCl₄, citrat de sodiu și apă distilată. Pentru pregătirea eșantionului, prima etapă a implicat dizolvarea HAuCl₄ în apă distilată cu o concentrație de 0,03 M. Ulterior, soluția HAuCl₄ (2 ml) s-a adăugat picătură la 20 ml de soluție apoasă de citrat de sodiu de 0,03 M. În timpul fazei de amestecare, o sondă cu ultrasunete de înaltă densitate (20 kHz) cu un corn cu ultrasunete a fost introdusă în soluție timp de 5 minute la o putere de sondare de 17,9 W·cm²
(cf. Dhabey la al. 2020)

Sinteza nanobeltului de aur folosind Sonicare

Nanobeltele cristaline unice (a se vedea imaginea TEM stânga) pot fi sintetizate prin sonicarea unei soluții apoase de HAuCl₄ în prezența α-D-Glucoză ca reageni. Nanobeltele de aur sintetizate soniochimic prezintă o lățime medie de 30 până la 50 nm și o lungime de câțiva micrometri. Reacția cu ultrasunete pentru producția de nanobelte de aur este simplă, rapidă și evită utilizarea substanțelor toxice. (cf. Zhang et al, 2006)

Surfactants pentru a influența sinteza sonochimice de NPs aur

Aplicarea ultrasunetelor intense asupra reacțiilor chimice inițiază și promovează conversia și randamentele. Pentru a obține o dimensiune uniformă a particulelor și anumite forme / morfologii vizate, alegerea agenților tensioactivi este un factor critic. Adăugarea de alcooli ajută, de asemenea, la controlul formei și dimensiunii particulelor. De exemplu, în prezența a-d-glucoză, reacțiile majore în procesul de sonoliză a HAuCl apoase₄ așa cum este descris în următoarele ecuații (1-4):
(1) H₂ O -> H∙ + OH∙
(2) zahăr – > radicali de piroliză
(3) AIII + reducerea radicalilor -> Au⁰
(4) nAu⁰ -> AuNP (nanobelte)
(cf. Zhao et al., 2014)

Puterea ultrasonicators de tip sondă

Sonde cu ultrasunete sau sonotrodes (de asemenea, numit coarne cu ultrasunete) livra ultrasunete de mare intensitate și cavitație acustică în formă foarte concentrată în soluții chimice. Această transmisie precis controlabilă și eficientă a ultrasunetelor de putere permite condiții fiabile, controlabile cu precizie și reproductibile, în care căile de reacție chimică pot fi inițiate, intensificate și comutate. În schimb, o baie cu ultrasunete (de asemenea, cunoscut sub numele de curat cu ultrasunete sau rezervor) oferă ultrasunete cu densitate de putere foarte scăzută și pete de cavitație aleatoare într-un volum mare de lichid. Acest lucru face băi cu ultrasunete nesigure pentru orice reacții sonochimice.
"Băile de curățare cu ultrasunete au o densitate de putere care corespunde unui procent mic din cel generat de un corn cu ultrasunete. Utilizarea băilor de curățare în sonochimie este limitată, având în vedere că dimensiunea și morfologia particulelor complet omogene nu este întotdeauna atinsă. Acest lucru se datorează efectelor fizice ale ultrasunetelor asupra nucleației și proceselor de creștere." (González-Mendoza et al. 2015)

Ultrasonicators de înaltă performanță pentru sinteza nanoparticulelor de aur

Hielscher Ultrasonics furnizează procesoare cu ultrasunete puternice și fiabile pentru sinteza sonochimică (sono-sinteza) de nanoparticule, cum ar fi aurul și alte nanostructuri metalice nobile. Agitația și dispersia cu ultrasunete crește transferul de masă în sisteme eterogene și promovează umezirea și nucleația ulterioară a clusterelor de atomi pentru a precipita nanoparticulele. Sinteza cu ultrasunete a nanoparticulelor este o metodă simplă, rentabilă, biocompatibilă, reproductibilă, rapidă și sigură.
Hielscher Ultrasonics furnizează procesoare cu ultrasunete puternice și controlabile cu precizie pentru formarea de structuri de dimensiuni nano, cum ar fi nanosheres, nanorods, nanobelte, nano-panglici, nanoclusteri, particule de bază-coajă etc.
Clienții noștri apreciază caracteristicile inteligente ale dispozitivelor digitale Hielscher, care sunt echipate cu software inteligent, afișaj tactil colorat, protocolare automată a datelor pe un card SD încorporat și dispun de un meniu intuitiv pentru operarea ușoară și sigură.
Acoperind gama completă de putere de la 50 wați ultrasonicators mână pentru laborator de până la 16,000 wați puternic sisteme industriale cu ultrasunete, Hielscher are configurarea cu ultrasunete ideal pentru aplicația dumneavoastră. Echipamentele sonochimice pentru producția de loturi și inline continuă în reactoare cu flux sunt disponibile la orice dimensiune industrială și de banc. Robustețea echipamentului cu ultrasunete Hielscher permite funcționarea 24/7 la grele și în medii solicitante.

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității de procesare aproximativă a ultrasonicators noastre: