Sinteza eficientă și controlată a nanoparticulelor de aur
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, forma (de exemplu, nanosfere, nanotije, nanocenturi etc.) și morfologie. Procedura chimică eficientă, simplă, rapidă și ecologică permite producerea fiabilă a nanostructurilor de aur la scară industrială.
Nanoparticule de aur și nanostructuri
Nanoparticulele de aur și structurile de dimensiuni nanometrice sunt implementate pe scară largă în R&D și procesele industriale datorită proprietăților unice ale aurului de dimensiuni nanometrice, inclusiv caracteristicile electronice, magnetice și optice, efectele dimensiunii cuantice, rezonanța plasmonică de suprafață, activitatea catalitică ridicată, auto-asamblarea, printre alte proprietăți. Domeniile de aplicare pentru nanoparticulele de aur (Au-NP) variază de la utilizarea drept catalizator la fabricarea dispozitivelor nanoelectronice, precum și utilizarea în imagistică, nanofotonică, nanomagnetică, biosenzori, senzori chimici, pentru aplicații optice și teranostice, livrarea de medicamente, precum și alte utilizări.

Ultrasonicators de tip sondă, ar fi UP400St intensificarea sintezei nanoparticulelor de aur. Calea sonochimică este simplă, eficientă, rapidă și funcționează cu substanțe chimice netoxice în condiții atmosferice ușoare.
Metode de sinteză a nanoparticulelor de aur
Nano-structurate particule de aur pot fi sintetizate prin diferite căi 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 duri și permite formarea de nanoparticule de metale nobile de diferite morfologii. Alegerea căii și a tratamentului sonochimic (cunoscut și sub numele de sonosinteză) permite producerea nanostructurilor de aur, cum ar fi nanosheres de aur, nanotije, nanocenturi etc. cu dimensiuni și morfologie uniforme.
Mai jos puteți găsi căi sonochimice selectate pentru prepararea nanoparticulelor de aur.
Metoda Turkevich îmbunătățită ultrasonically
Sonicare este folosit pentru a intensifica reacția de reducere a citratului Turkevich, precum și procedurile Turkevich modificate.
Metoda Turkevich produce nanoparticule de aur sferice monodisperse modeste, cu diametrul de aproximativ 10-20nm. Pot fi produse particule mai mari, dar cu prețul monodispersiei și formei. În această metodă, acidul cloroauric fierbinte este tratat cu soluție de citrat de sodiu, producând aur coloidal. Reacția Turkevich are loc prin formarea de nanofire de aur tranzitorii. 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 sonochimic sintetizat nanoparticule de aur, raportează că este fezabilă fabricarea nanoparticulelor de aur cu interacțiune cu absorbție ridicată folosind ultrasonication ca singură sursă de energie, reducând cerințele de laborator și controlând proprietățile modificând parametrii simpli.
Lee et al. (2012) au demonstrat că energia cu ultrasunete este un parametru cheie pentru producerea nanoparticulelor de aur sferice (AuNPs) de dimensiuni acordabile 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 ruta Turkevich. Pasul inițial al procesului în mai multe etape Turkevich-Frens, în care reacțiile au loc în serie și în paralel, este oxidarea citratului care produce dicarboxiacetonă. Apoi, sarea aurică este redusă la sare auroasă și Au0, iar sarea auroasă este asamblată pe Au0 atomi pentru a forma AuNP (vezi schema de mai jos).
Aceasta înseamnă că dicarboxiacetona rezultată din oxidarea citratului, mai degrabă decât citratul în sine, acționează ca stabilizator AuNP real în reacția Turkevich-Frens. Sarea de citrat 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 prin parametrii cu ultrasunete. AuNP-urile 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 AuNP permite sinteza AuNP cu o dimensiune a particulelor de 5 nm. Pe măsură ce adăugarea de D2O crește rezistența de reducere a citratului, combinația de D2O și C6H9Na3O9. (cf. Zhao et al., 2013)

Reactoarele sonochimice în linie permit o sinteză controlată cu precizie a nanoparticulelor (de exemplu, AuNPs) la scară industrială. Imaginea arată două ultrasunete UIP1000hdT (1kW, 20kHz) cu celule de flux.
Protocol pentru ruta sonochimică Turkevich-Frens
Pentru a sintetiza nanoparticule de aur într-o procedură de jos în sus prin metoda Turkevich-Frens, 50 ml de acid cloroauric (HAuCl4), se toarnă 0,025 mM într-un pahar de sticlă de 100 ml, în care 1 ml de soluție apoasă de citrat trisodic 1,5% (m/v) (Na3Ct) se adaugă sub ultrasonication la temperatura camerei. Ultrasonication a fost efectuată la 60W, 150W și 210W. The Na3Ct/HAuCl4 Raportul utilizat în probe este de 3: 1 (w / v). După ultrasonication, soluțiile coloidale au arătat culori diferite, violet pentru 60 W și roșu-rubin pentru probe de 150 și 210 W. Dimensiuni mai mici și mai multe clustere sferice de nanoparticule de aur au fost produse prin creșterea puterii sonicare, în conformitate cu caracterizarea structurală. Fuentes-García și colab. (2021) arată în investigațiile lor influența puternică a creșterii sonicării asupra dimensiunii particulelor, structurii poliedrice 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 printr-o procedură sonochimică adaptată. (Fuentes-García și colab., 2021)

Reactor cu agitație ultrasonică cu ultrasunete UP200St pentru sinteza intensificată a nanoparticulelor (sonosinteză).
Sonoliza nanoparticulelor de aur
O altă metodă pentru generarea experimentală a particulelor de aur este prin sonoliză, unde ultrasunetele sunt aplicate pentru sinteza particulelor de aur cu un diametru sub 10 nm. În funcție de reactivi, reacția sonolitică poate fi executată în diferite moduri. De exemplu, sonicare a unei soluții apoase de HAuCl4 Cu glucoză, radicalii hidroxil și radicalii de piroliză a zahărului acționează ca agenți reducători. Acești radicali se formează în regiunea interfacială dintre cavitățile care se prăbușesc create de ultrasunetele intense și apa în vrac. Morfologia nanostructurilor de aur sunt nanopanglici 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 către o panglică.
Protocol exemplar pentru sinteza nano-aurului sonochimic
Materialele precursoare utilizate pentru sintetizarea AuNP acoperite cu citrat includ HAuCl4, citrat de sodiu și apă distilată. Pentru prepararea probei, prima etapă a implicat dizolvarea HAuCl4 în apă distilată cu o concentrație de 0,03 M. Ulterior, soluția de HAuCl4 (2 ml) a fost adăugată picătură cu picătură la 20 ml de soluție apoasă de citrat de sodiu 0,03 M. În timpul fazei de amestecare, o sondă cu ultrasunete de înaltă densitate (20 kHz) cu claxon 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 nanocenturii de aur folosind sonicare
Nanocenturile cristaline unice (vezi imaginea TEM din stânga) pot fi sintetizate prin sonicarea unei soluții apoase de HAuCl4 în prezența α-D-glucoză ca reageni. Nanocenturile de aur sintetizate sonochimic prezintă o lățime medie de 30 până la 50 nm și o lungime de câțiva micrometri. Reacția cu ultrasunete pentru producerea nanocenturilor de aur este simplă, rapidă și evită utilizarea substanțelor toxice. (cf. Zhang et al, 2006)
Surfactanți pentru a influența sinteza sonochimică a NPs de 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-glucozei, reacțiile majore în procesul de sonoliză a HAuCl apos4 astfel cum este ilustrat în următoarele ecuații (1-4):
(1) H2 O —> H∙ + OH∙
(2) sugar —> pyrolysis radicals
(3) A
(4) nAu0 —> AuNP (nanobelts)
(cf. Zhao et al., 2014)

Configurarea reactorului chimic cu ultrasunete MSR-4 cu 4x Ultrasunetatoare de 4kW (putere totală a ultrasunetelor de 16kW) pentru procesele de producție industrială.
Puterea ultrasonicators de tip sondă
Sonde cu ultrasunete sau sonotrodes (de asemenea, numite coarne cu ultrasunete) furnizează ultrasunete de înaltă intensitate și cavitație acustică în formă foarte concentrată în soluții chimice. Această transmisie 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 agent de curățare cu ultrasunete sau rezervor) furnizează ultrasunete cu densitate de putere foarte scăzută și pete de cavitație care apar aleatoriu într-un volum mare de lichid. Acest lucru face ca băile cu ultrasunete să nu fie fiabile 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 ultrasonic. Utilizarea băilor de curățare în sonochimia este limitată, având în vedere că dimensiunea și morfologia particulelor complet omogene nu sunt întotdeauna atinse. Acest lucru se datorează efectelor fizice ale ultrasunetelor asupra nucleației și proceselor de creștere. (González-Mendoza și colab., 2015)
- reacție simplă cu un singur vas
- eficiență ridicată
- Seif
- proces rapid
- cost redus
- scalabilitate liniară
- Chimie ecologică, ecologică
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, ar fi aur și alte nanostructuri metalice nobile. Agitarea 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 nano-particulelor este o metodă simplă, rentabilă, biocompatibilă, reproductibilă, rapidă și sigură.
Hielscher Ultrasonics furnizează procesoare cu ultrasunete puternice și precis controlabile pentru formarea de structuri de dimensiuni nano, ar fi nanosheres, nanotije, nanocenturi, nano-panglici, nanoclustere, particule de miez-coajă etc.
Citiți mai multe despre sinteza cu ultrasunete a nanoparticulelor magnetice!
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 o operare ușor de utilizat și sigură.
Acoperind întreaga gamă de putere, de la ultrasunete portabile de 50 de wați pentru laborator până la sisteme industriale cu ultrasunete puternice de 16.000 de wați, Hielscher are configurația cu ultrasunete ideală pentru aplicația dvs. Echipamentele sonochimice pentru producția în serie și continuă în reactoare cu flux continuu sunt ușor disponibile la orice dimensiune industrială și de laborator. Robustețea sonicatoarelor Hielscher permite funcționarea 24/7 în medii grele și solicitante.
Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicators noastre:
Volumul lotului | Debitul | Dispozitive recomandate |
---|---|---|
1 până la 500 ml | 10 până la 200 ml/min | UP100H |
10 până la 2000 ml | 20 până la 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
0.1 până la 20L | 00.2 până la 4L / min | UIP2000hdT |
10 până la 100L | 2 până la 10L / min | UIP4000hdT |
n.a. | 10 până la 100L / min | UIP16000 |
n.a. | mai mare | grup de UIP16000 |
Contactează-ne! / Întreabă-ne!
Literatură / Referințe
- Pan, H.; Low, S;, Weerasuriya, N; Wang, B.; Shon, Y.-S. (2019): Morphological transformation of gold nanoparticles on graphene oxide: effects of capping ligands and surface interactions. Nano Convergence 6, 2; 2019.
- Fuentes-García, J.A.; Santoyo-Salzar, J.; Rangel-Cortes, E.; Goya, VG.;. Cardozo-Mata, F.; Pescador-Rojas, J.A. (2021): Effect of ultrasonic irradiation power on sonochemical synthesis of gold nanoparticles. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 70, 2021.
- Dheyab, M.; Abdul Aziz, A.; Jameel, M.S.; Moradi Khaniabadi, P.; Oglat, A.A. (2020): Rapid Sonochemically-Assisted Synthesis of Highly Stable Gold Nanoparticles as Computed Tomography Contrast Agents. Appl. Sci. 2020, 10, 7020.
- Zhang, J.; Du, J.; Han, B.; Liu, Z.; Jiang, T.; Zhang, Z. (2006): Sonochemical formation of single-crystalline gold nanobelts. Angewandte Chemie, 45 (7), 2006. 1116-1119
- Bang, Jin Ho; Suslick, Kenneth (2010): Applications of Ultrasound to the Synthesis of Nanostructured Materials. Cheminform 41 (18), 2010.
- Hinman, J.J.; Suslick, K.S. (2017): Nanostructured Materials Synthesis Using Ultrasound. Topics in Current Chemistry Volume 375, 12, 2017.
- Zhao, Pengxiang; Li, Na; Astruc, Didier (2013): State of the art in gold nanoparticle synthesis. Coordination Chemistry Reviews, Volume 257, Issues 3–4, 2013. 638-665.

Hielscher Ultrasonics produce omogenizatoare cu ultrasunete de înaltă performanță de la Laborator spre dimensiunea industrială.