Sinteza nano-argintului cu miere și ultrasunete

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

Sinteza asistată ultrasonic a nano-argintului coloidal

Sinteza sonochimică, care se referă la reacțiile chimice facilitate de iradierea ultrasonică, este o metodă larg aplicată pentru producerea nanoparticulelor. Acestea includ argint, aur, magnetită, hidroxiapatită, perovskit, latex și multe alte nanomateriale.

Sinteza ultrasonică pe cale chimică umedă

Au fost dezvoltate mai multe căi de sinteză asistată ultrasonic pentru producerea nanoparticulelor de argint. O metodă notabilă utilizează mierea atât ca agent reducător, cât și ca agent de acoperire. Componentele mierii, precum glucoza și fructoza, acționează sinergic în aceste roluri în timpul procesului de sinteză.
Asemenea multor tehnici de sinteză a nanoparticulelor, sinteza ultrasonică a nano-argintului se încadrează în categoria chimiei umede. Procesul începe cu nucleația nanoparticulelor de argint într-o soluție. În timpul sonicării, un precursor de argint (de ex., azotat 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 nucleației și creșterii ultrasonice a argintului

Faza inițială de nucleație: Pe măsură ce concentrația ionilor de argint dizolvați crește, ionii de argint metalic încep să se lege, formând mici clustere. În această etapă, aceste clustere sunt instabile din punct de vedere energetic din cauza unui bilanț energetic negativ. Energia necesară pentru crearea de 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 nucleu pentru creșterea ulterioară.
• Faza de creștere: În timpul creșterii, atomi suplimentari de argint difuzează prin soluție și se atașează de suprafața nanoparticulei în creștere. Creșterea continuă până când concentrația de argint dizolvat scade sub pragul de nucleație, 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 nucleație mai rapidă și la o creștere controlată. Prin ajustarea precisă a parametrilor de sonicare, precum intensitatea și durata, dimensiunea, viteza de creștere și forma nanoparticulelor pot fi reglate fin. Acest control precis asigură structuri consecvente ale nanoparticulelor, adaptate pentru aplicații specifice.

Sinteza asistată ultrasonic se remarcă drept o abordare eficientă, scalabilă și de chimie verde pentru producerea nano-argintului cu proprietăți bine definite, oferind avantaje semnificative pentru diverse aplicații în cercetare și industrie.

Faceți clic aici pentru a citi mai multe despre o altă metodă verde de sinteză ultrasonică a nano-argintului folosind caragenan!

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

Studiu de caz privind sinteza ultrasonică a nano-argintului

Studiul intitulat „Honey-Based and Ultrasonic-Assisted Synthesis of Silver Nanoparticles and Their Antibacterial Activities” de Oskuee et al. (2016) explorează o metodă simplă și ecologică de sinteză a nanoparticulelor de argint (Ag-NPs) folosind mierea naturală atât ca agent reducător, cât și ca agent de stabilizare. Procesul, care implică reducerea azotatului de argint (AgNO₃) sub iradiere ultrasonică, este caracterizat de diverși parametri, inclusiv concentrația ionilor de argint, concentrația mierii și timpul de sonicare. Ag-NPs 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 caracterul său verde, cu cost redus și netoxic. Autorii demonstrează că dimensiunea și randamentul Ag-NPs pot fi controlate prin ajustarea parametrilor de reacție, precum concentrația de argint, conținutul de miere și durata sonicării. S-a demonstrat că Ag-NPs sintetizate posedă o activitate antibacteriană eficientă, în special împotriva E. coli și S. aureus, cu concentrații minime inhibitorii (MIC) de aproximativ 19,46 ppm. Această metodă prezintă o potențială aplicație a Ag-NPs în domeniile medicale, inclusiv vindecarea rănilor și controlul infecțiilor.

• Materiale: azotat de argint (AgNO₃) ca precursor de argint; miere ca agent de acoperire / reducător; apă
• Dispozitiv ultrasonic: Sonicator cu sondă UP400St

Protocol de sinteză ultrasonică

Cele mai bune condiții pentru sinteza nanoparticulelor coloidale de argint s-au dovedit a fi următoarele: reducerea azotatului de argint sub ultrasonicare, mediată de mierea naturală. Pe scurt, 20 ml de soluție de azotat de argint (0,3 M) conținând miere (20 wt%) au fost expuși iradierii cu ultrasunete de intensitate ridicată, în condiții ambientale, timp de 30 min. Ultrasonicarea a fost efectuată cu ultrasonicatorul cu sondă UP400S (400W, 24 kHz), imersat direct în soluția de reacție.
Mierea de calitate alimentară este utilizată ca agent de acoperire / stabilizare și ca agent reducător, ceea ce face ca soluția apoasă de nucleație și nanoparticulele precipitate să fie curate și sigure pentru multiple aplicații.
Pe măsură ce timpul de ultrasonicare crește, nanoparticulele de argint devin mai mici, iar concentrația lor crește.
În soluția apoasă de miere, ultrasonicarea este un factor cheie care influențează formarea nanoparticulelor de argint. Parametrii de sonicare, precum amplitudinea, timpul și ultrasunetele continue vs. pulsate, sunt factori majori care permit controlul dimensiunii și cantității nanoparticulelor de argint.

Distribuția dimensiunii particulelor de Ag-NPs sintetizate în condiții optime; concentrații de argint (0,3 M), concentrații de miere (20 wt%) și timpi de iradiere ultrasonică (30 min)
sursa imaginii: ©Oskuee et al. 2016

Rezultatul sintezei ultrasonice a nanoparticulelor de argint

Sinteza promovată ultrasonic și mediată de miere, realizată cu sonicatorul UP400St, a dus la nanoparticule sferice de argint (Ag-NPs) cu o dimensiune medie a particulelor de aproximativ 11,8nm. Sinteza ultrasonică a nanoparticulelor de argint este o metodă simplă și rapidă, într-un singur vas (one-pot). Utilizarea apei și a mierii ca materiale face reacția eficientă din punct de vedere al costurilor și excepțional de ecologică.
Tehnica prezentată de sinteză ultrasonică, folosind mierea ca agent reducător și de acoperire, poate fi extinsă la alte metale nobile, precum aurul, paladiul și cuprul, ceea ce oferă diverse aplicații suplimentare, de la medicină la industrie.

Distribuția dimensiunii particulelor de Ag-NPs sintetizate în condiții optime; concentrații de argint (0,3 M), concentrații de miere (20 wt%) și timp de iradiere ultrasonică (30 min)
Studiu și imagine: ©Oskuee et al. 2016

Influențarea nucleației și a dimensiunii particulelor prin sonicare

Ultrasunetele permit producerea de nanoparticule, precum nanoparticulele de argint, adaptate cerințelor. Trei opțiuni generale de sonicare au efecte importante asupra rezultatului:
Sonicare inițială: Aplicarea de scurtă durată a undelor ultrasonice asupra unei soluții suprasaturate poate iniția însămânțarea și formarea nucleelor. Deoarece sonicarea este aplicată doar în etapa inițială, creșterea ulterioară a cristalelor decurge neîmpiedicat, rezultând cristale mai mari.
Sonicare continuă: Iradierea continuă a soluției suprasaturate are ca rezultat cristale mici, deoarece ultrasonicarea neîntreruptă creează o mulțime de nuclee, ceea ce duce la creșterea multor cristale mici.
Sonicare pulsată: Ultrasunetele pulsate înseamnă aplicarea ultrasunetelor la intervale determinate. Un aport precis controlat de energie ultrasonică permite influențarea creșterii cristalelor pentru a obține o dimensiune a cristalelor adaptată cerințelor.

Ultrasonicatoare de înaltă performanță pentru sinteza nanoparticulelor

Hielscher Ultrasonics oferă procesoare ultrasonice fiabile, de mare putere, concepute pentru aplicații sonochimice avansate, inclusiv sono-sinteză și sono-cataliză. Amestecarea și dispersarea ultrasonică îmbunătățesc semnificativ transferul de masă, favorizează umectarea clusterelor de atomi și facilitează nucleația lor ulterioară, conducând la precipitarea eficientă a nanoparticulelor. Sinteza ultrasonică este recunoscută drept o metodă simplă, eficientă din punct de vedere al costurilor, biocompatibilă, reproductibilă, rapidă și sigură pentru producerea de nanomateriale de înaltă calitate. (Citiți mai multe despre sinteza sonochimică a perovskitului și a nanostructurilor de ZnO!)

Ultrasonicatoarele Hielscher sunt proiectate pentru un control precis, permițând condiții optime pentru nucleația 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, sunt prevăzute cu înregistrare automată a datelor pe un card SD încorporat, asigurând o documentare fără întreruperi a procesului.

Cu o gamă cuprinzătoare de sisteme – de la ultrasonicatoare compacte de 50 de wați, ținute în mână, pentru uz de laborator, până la sisteme industriale robuste de 16.000 de wați – Hielscher oferă soluția ultrasonică ideală pentru fiecare aplicație. Proiectate pentru durabilitate, echipamentele ultrasonice Hielscher sunt construite pentru a funcționa continuu în condiții de solicitare intensă, chiar și în medii exigente, asigurând performanțe fiabile 24/7.
Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a ultrasonicatoarelor noastre:

Comparație între metodele convenționale și metodele verzi de sinteză a nanoparticulelor.