Sintetizarea nano-argint cu miere și ultrasunete

Nano-argintul este folosit pentru proprietățile sale antibacteriene pentru a consolida materialele în medicină și știința materialelor. Ultrasonication permite o sinteză rapidă, eficace, sigură și ecologică a nanoparticulelor sferice de argint în apă. Sinteza nanoparticulelor cu ultrasunete poate fi ușor scalată de la producția mică la cea mare.

Ultrasonically-asistate sinteza de nano-argint coloidal

Sinteza sonochimică, care se referă la reacțiile chimice facilitate de iradierea cu ultrasunete, este o metodă aplicată pe scară largă pentru producerea de nanoparticule. Acestea includ argint, aur, magnetit, hidroxiapatită, Clorochină, Perovskit, latex și multe alte nanomateriale.

Sinteza chimică umedă cu ultrasunete

Au fost dezvoltate mai multe căi de sinteză asistate cu ultrasunete pentru producerea de nanoparticule de argint. O metodă notabilă folosește mierea atât ca agent de reducere, cât și ca agent de acoperire. Componentele din miere, cum ar fi glucoza și fructoza, acționează sinergic în aceste roluri în timpul procesului de sinteză.
Similar cu multe tehnici de sinteză a nanoparticulelor, sinteza cu ultrasunete de nano-argint se încadrează în categoria chimiei umede. Procesul începe cu nuclearea nanoparticulelor de argint într-o soluție. În timpul sonicării, un precursor de argint (de exemplu, azotatul de argint (AgNO₃) sau perclorat de argint (AgClO₄)) este redus în prezența unui agent reducător, cum ar fi mierea, pentru a produce argint coloidal.

Mecanismul de nucleare și creștere a argintului cu ultrasunete

Faza inițială de nucleare: Pe măsură ce concentrația de ioni de argint dizolvați crește, ionii metalici de argint încep să se lege pentru a forma grupuri mici. În acest stadiu, aceste clustere sunt instabile din punct de vedere energetic din cauza unui bilanț energetic negativ. Energia necesară pentru a crea noi suprafețe depășește energia câștigată prin reducerea concentrației de argint dizolvat.

• Raza critică: Când un cluster atinge o anumită dimensiune (raza critică), procesul devine favorabil din punct de vedere energetic, stabilizând clusterul. Această stabilitate permite clusterului să acționeze ca un nucleu pentru creșterea ulterioară.
• Faza de creștere: În timpul creșterii, atomi de argint suplimentari difuzează prin soluție și se atașează de suprafața nanoparticulelor în creștere. Creșterea continuă până când concentrația de argint dizolvat scade sub pragul de nucleare, oprind formarea de noi nuclee.
• Difuzie și finalizare: Argintul dizolvat rămas este încorporat în nanoparticulele existente, finalizând procesul.

Sonicarea accelerează transferul de masă, în special procesele de umectare și difuzie, ceea ce duce la o nucleare mai rapidă și la o creștere controlată. Prin ajustarea precisă a parametrilor de sonicare, cum ar fi intensitatea și durata, dimensiunea, rata de creștere și forma nanoparticulelor pot fi reglate fin. Acest control precis asigură structuri consistente de nanoparticule, adaptate pentru aplicații specifice.

Sinteza asistată cu ultrasunete se remarcă ca o abordare chimică eficientă, scalabilă și verde pentru producerea de nano-argint cu proprietăți bine definite, oferind avantaje semnificative pentru diverse aplicații în cercetare și industrie.

Click aici pentru a citi mai multe despre o altă metodă verde pentru a sintetiza ultrasonically nano-argint folosind caragenan!

Sonicarea facilitează sinteza rapidă și verde a nanoparticulelor mici de argint cu o distribuție îngustă a dimensiunilor.

Studiu de caz de sinteză nano-argint cu ultrasunete

Studiul intitulat “Sinteza pe bază de miere și asistată de ultrasunete a nanoparticulelor de argint și activitățile lor antibacteriene” de Oskuee et al. (2016) explorează o metodă simplă și ecologică de sintetizare a nanoparticulelor de argint (Ag-NP) folosind miere naturală atât ca agent reducător, cât și ca agent stabilizator. Procesul, care implică reducerea azotatului de argint (AgNO₃) sub iradiere cu ultrasunete, se caracterizează prin diverși parametri, inclusiv concentrația de ioni de argint, concentrația de miere și timpul de sonicare. Ag-NP-urile rezultate au o dimensiune medie de aproximativ 11,8 nm și prezintă proprietăți antibacteriene împotriva bacteriilor patogene precum Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa și E. coli.
Studiul evidențiază beneficiile utilizării mierii în sinteza nanoparticulelor, subliniind natura sa verde, ieftină și non-toxică. Autorii demonstrează că dimensiunea și randamentul Ag-NP pot fi controlate prin ajustarea parametrilor de reacție, cum ar fi concentrația de argint, conținutul de miere și durata sonicării. S-a demonstrat că Ag-NP-urile sintetizate posedă activitate antibacteriană eficientă, în special împotriva E. coli și S. aureus, cu concentrații minime inhibitorii (CMI) de aproximativ 19,46 ppm. Această metodă prezintă o aplicație potențială pentru Ag-NP în domeniile medicale, inclusiv vindecarea rănilor și controlul infecțiilor.

• Materiale: azotat de argint (AgNO₃) ca precursor al argintului; miere ca agent de acoperire / reducere; Apă
• Dispozitiv cu ultrasunete: Sondă tip sonicator UP400St

Protocol de sinteză cu ultrasunete

Cele mai bune condiții pentru sinteza nanoparticulelor de argint coloidal s-au dovedit a fi următoarele: Reducerea azotatului de argint sub ultrasunete mediată de miere naturală. Pe scurt, 20 ml de soluție de azotat de argint (0,3 M) care conține miere (20 % în greutate) au fost expuși la iradiere cu ultrasunete de mare intensitate în condiții ambientale timp de 30 de minute. Ultrasunetele au fost efectuate cu ultrasunetele de tip sondă UP400S (400W, 24 kHz) scufundate direct în soluția de reacție.
Mierea de calitate alimentară este utilizată ca agent de acoperire / stabilizare și reducere, ceea ce face ca soluția apoasă de nucleație și nanoparticulele precipitate să fie curate și sigure pentru aplicații multiple.
Pe măsură ce crește timpul de ultrasonication, nanoparticulele de argint devin mai mici și concentrația lor este îmbunătățită.
În soluția apoasă de miere, ultrasonication este un factor cheie care influențează formarea nano-particulelor de argint. Parametrii sonicare, ar fi amplitudinea, timpul și ultrasunetele continue vs pulsante sunt factori majori care permit controlul dimensiunii și cantității nanoparticulelor de argint.

Distribuția mărimii particulelor de Ag-NP sintetizate în condiții optime; concentrații de argint (0,3 M), concentrații de miere (20 % în greutate) și timpi de iradiere cu ultrasunete (30 min)
sursa imaginii: ©Oskuee et al. 2016

Rezultatul sintezei cu ultrasunete a nanoparticulelor de argint

Sinteza mediată de miere promovată cu ultrasunete cu sonicatorul UP400St a dus la nanoparticule sferice de argint (Ag-NP) cu o dimensiune medie a particulelor de aproximativ 11,8 nm. Sinteza cu ultrasunete a nanoparticulelor de argint este o metodă simplă și rapidă. Utilizarea apei și a mierii ca materiale face ca reacția să fie rentabilă și excepțional de ecologică.
Tehnica prezentată de sinteză cu ultrasunete folosind mierea ca agent de reducere și acoperire poate fi extinsă la alte metale nobile, ar fi aurul, paladiul și cuprul, care oferă diverse aplicații suplimentare de la medicină la industrie.

Distribuția granulometrică a Ag-NPs sintetizate în condiții optime; concentrațiile de argint (0,3 M), concentrațiile de miere (20 în greutate) și timpul de iradiere cu ultrasunete (30 min)
Studiu și imagine: ©Oskuee et al. 2016

Influențând nucleația și dimensiunea particulelor prin sonicare

Ultrasunetele permit producerea de nanoparticule, cum ar fi nanoparticulele de argint, adaptate cerințelor. Trei opțiuni generale de sonicare au efecte importante asupra ieșirii:
Sonicare inițială: Aplicarea scurtă a undelor cu ultrasunete la o soluție suprasaturată poate iniția însămânțarea și formarea nucleelor. Deoarece sonicare se aplică numai în timpul etapei inițiale, creșterea ulterioară a cristalelor are loc nestingherită, rezultând cristale mai mari.
Sonicare continuă: Iradierea continuă a soluției suprasaturate are ca rezultat cristale mici, deoarece ultrasonication neîntrerupt creează o mulțime de nuclee care rezultă în creșterea multor cristale mici.
Sonicare pulsată: Ultrasunetele pulsate înseamnă aplicarea ultrasunetelor în intervale determinate. O intrare controlată cu precizie a energiei ultrasonice permite influențarea creșterii cristalului pentru a obține o dimensiune cristalină adaptată.

Ultrasunete de înaltă performanță pentru sinteza nanoparticulelor

Hielscher Ultrasonics oferă procesoare cu ultrasunete fiabile și de mare putere, concepute pentru aplicații sonochimice avansate, inclusiv sono-sinteză și sono-cataliză. Amestecarea și dispersarea cu ultrasunete îmbunătățesc semnificativ transferul de masă, promovează umezirea clusterelor de atomi și facilitează nuclearea ulterioară a acestora, ducând la precipitarea eficientă a nanoparticulelor. Sinteza cu ultrasunete este recunoscută ca o metodă simplă, rentabilă, biocompatibilă, reproductibilă, rapidă și sigură pentru producerea de nanomateriale de înaltă calitate. (Citiți mai multe despre sinteza sonochimică a perovskitei și Nanostructuri de ZnO!)

Ultrasunetele Hielscher sunt proiectate pentru un control precis, permițând condiții optime pentru nuclearea și creșterea nanomaterialelor. Aceste dispozitive digitale dispun de software inteligent, un afișaj tactil color și un meniu intuitiv pentru o operare sigură și ușor de utilizat. În plus, vin cu înregistrare automată a datelor pe un card SD încorporat, asigurând o documentare perfectă a procesului.

Cu o gamă cuprinzătoare de sisteme - de la ultrasunete portabile compacte de 50 de wați pentru uz de laborator până la sisteme industriale robuste de 16.000 de wați - Hielscher oferă soluția ideală cu ultrasunete pentru fiecare aplicație. Proiectate pentru durabilitate, echipamentele cu ultrasunete Hielscher sunt construite pentru a funcționa continuu în condiții grele, chiar și în medii solicitante, asigurând performanțe fiabile 24/7.
Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicators noastre:

Compararea metodelor convenționale și a metodelor de sinteză verde a sintezei nanoparticulelor.