Синтез наносеребра с помощью мёда и ультразвука

Наносеребро используют благодаря его антибактериальным свойствам для улучшения свойств материалов в медицине и материаловедении. Обработка ультразвуком позволяет быстро, эффективно, безопасно и экологично синтезировать сферические наночастицы серебра в воде. Ультразвуковой синтез наночастиц можно легко масштабировать от малого до крупного производства.

Синтез коллоидного наносеребра с помощью ультразвука

Сонохимический синтез, то есть химические реакции, протекающие при содействии ультразвукового облучения, представляет собой широко применяемый метод получения наночастиц. К ним относятся серебро, золото, магнетит, гидроксиапатит, перовскит, латекс и многие другие наноматериалы.

Ультразвуковой синтез методами химии растворов

Для получения наночастиц серебра разработано множество способов синтеза с помощью ультразвука. Один из заслуживающих внимания методов использует мёд одновременно в качестве восстановителя и агента, покрывающего поверхность частиц. Компоненты мёда, такие как глюкоза и фруктоза, синергетически выполняют эти функции в процессе синтеза.
Как и многие методы синтеза наночастиц, ультразвуковой синтез наносеребра относится к химии растворов. Процесс начинается с образования зародышей наночастиц серебра в растворе. Во время обработки ультразвуком прекурсор серебра (например, нитрат серебра (AgNO₃) или перхлорат серебра (AgClO₄)) восстанавливается в присутствии восстановителя, например мёда, с образованием коллоидного серебра.

Механизм образования зародышей и роста серебра под действием ультразвука

Начальная стадия образования зародышей: По мере увеличения концентрации растворённых ионов серебра ионы металлического серебра начинают связываться, образуя небольшие кластеры. На этой стадии кластеры энергетически нестабильны из-за отрицательного энергетического баланса. Энергия, необходимая для создания новых поверхностей, превышает энергию, высвобождаемую при снижении концентрации растворённого серебра.

• Критический радиус: Когда кластер достигает определённого размера (критического радиуса), процесс становится энергетически выгодным, что стабилизирует кластер. Эта стабильность позволяет кластеру служить зародышем для дальнейшего роста.
• Стадия роста: Во время роста дополнительные атомы серебра диффундируют через раствор и присоединяются к поверхности растущей наночастицы. Рост продолжается до тех пор, пока концентрация растворённого серебра не опустится ниже порога образования зародышей, после чего образование новых зародышей прекращается.
• Диффузия и завершение: Оставшееся растворённое серебро включается в существующие наночастицы, завершая процесс.

Обработка ультразвуком ускоряет массоперенос, в частности процессы смачивания и диффузии, что приводит к более быстрому образованию зародышей и контролируемому росту. Точно регулируя параметры обработки ультразвуком, такие как интенсивность и продолжительность, можно тонко настраивать размер, скорость роста и форму наночастиц. Такой точный контроль обеспечивает воспроизводимость структуры наночастиц, адаптированной к конкретным применениям.

Синтез с помощью ультразвука выделяется как эффективный, масштабируемый метод зелёной химии для получения наносеребра с чётко заданными свойствами, обеспечивающий значительные преимущества для различных применений в исследованиях и промышленности.

Нажмите здесь, чтобы узнать больше о другом экологичном методе ультразвукового синтеза наносеребра с использованием каррагинана!

Обработка ультразвуком способствует быстрому экологичному синтезу мелких наночастиц серебра с узким распределением по размерам.

Пример исследования ультразвукового синтеза наносеребра

В исследовании Oskuee et al. (2016) под названием «Синтез наночастиц серебра на основе мёда с помощью ультразвука и их антибактериальная активность» рассматривается простой и экологичный метод синтеза наночастиц серебра (Ag-NPs) с использованием натурального мёда одновременно в качестве восстановителя и стабилизатора. Процесс, включающий восстановление нитрата серебра (AgNO₃) под воздействием ультразвукового облучения, характеризуется различными параметрами, включая концентрацию ионов серебра, концентрацию мёда и время обработки ультразвуком. Полученные Ag-NPs имеют средний размер около 11,8 nm и проявляют антибактериальные свойства в отношении патогенных бактерий, таких как Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa и E. coli.
В исследовании подчёркиваются преимущества использования мёда при синтезе наночастиц, в частности его экологичность, низкая стоимость и нетоксичность. Авторы показывают, что размер и выход Ag-NPs можно контролировать, регулируя параметры реакции, такие как концентрация серебра, содержание мёда и продолжительность обработки ультразвуком. Было показано, что синтезированные Ag-NPs обладают эффективной антибактериальной активностью, особенно против E. coli и S. aureus, с минимальными ингибирующими концентрациями (MIC) приблизительно 19,46 ppm. Этот метод открывает возможность применения Ag-NPs в медицине, включая заживление ран и борьбу с инфекциями.

• Материалы: нитрат серебра (AgNO₃) в качестве прекурсора серебра; мёд в качестве агента, покрывающего поверхность частиц, / восстановителя; вода
• Ультразвуковой аппарат: Ультразвуковой аппарат зондового типа UP400St

Протокол ультразвукового синтеза

Было установлено, что наилучшие условия для синтеза коллоидных наночастиц серебра следующие: восстановление нитрата серебра при обработке ультразвуком с участием натурального мёда. Вкратце, 20 ml раствора нитрата серебра (0,3 M), содержащего мёд (20 wt%), подвергали высокоинтенсивному ультразвуковому облучению в условиях окружающей среды в течение 30 min. Обработку ультразвуком проводили с помощью ультразвукового аппарата зондового типа UP400S (400W, 24 kHz), погружённого непосредственно в реакционный раствор.
Пищевой мёд используется в качестве агента, покрывающего поверхность частиц, / стабилизатора и восстановителя, что делает водный раствор для образования зародышей и осаждённые наночастицы чистыми и безопасными для множества применений.
По мере увеличения времени обработки ультразвуком наночастицы серебра становятся меньше, а их концентрация возрастает.
В водном растворе мёда обработка ультразвуком является ключевым фактором, влияющим на образование наночастиц серебра. Такие параметры обработки ультразвуком, как амплитуда, время и использование непрерывного или пульсирующего ультразвука, являются основными факторами, позволяющими контролировать размер и количество наночастиц серебра.

Распределение по размерам частиц Ag-NPs, синтезированных в оптимальных условиях; концентрации серебра (0,3 M), концентрации мёда (20 wt%) и время ультразвукового облучения (30 min)
Источник изображения: ©Oskuee et al. 2016

Результат ультразвукового синтеза наночастиц серебра

Синтез с участием мёда, стимулируемый ультразвуковым аппаратом UP400St, привёл к получению сферических наночастиц серебра (Ag-NPs) со средним размером частиц около 11,8nm. Ультразвуковой синтез наночастиц серебра представляет собой простой и быстрый метод, проводимый в одном реакторе. Использование воды и мёда в качестве материалов делает реакцию экономически выгодной и исключительно экологичной.
Представленный метод ультразвукового синтеза с использованием мёда в качестве восстановителя и агента, покрывающего поверхность частиц, можно распространить на другие благородные металлы, такие как золото, палладий и медь, что открывает различные дополнительные возможности применения от медицины до промышленности.

Распределение по размерам частиц Ag-NPs, синтезированных в оптимальных условиях; концентрации серебра (0,3 M), концентрации мёда (20 wt%) и время ультразвукового облучения (30 min)
Исследование и изображение: ©Oskuee et al. 2016

Влияние обработки ультразвуком на образование зародышей и размер частиц

Ультразвук позволяет получать наночастицы, например наночастицы серебра, в соответствии с заданными требованиями. Три основных варианта обработки ультразвуком существенно влияют на результат:
Начальная обработка ультразвуком: Кратковременное воздействие ультразвуковых волн на пересыщенный раствор может инициировать зарождение и образование зародышей. Поскольку обработка ультразвуком применяется только на начальной стадии, последующий рост кристаллов протекает беспрепятственно, приводя к образованию более крупных кристаллов.
Непрерывная обработка ультразвуком: Непрерывное облучение пересыщенного раствора приводит к образованию мелких кристаллов, поскольку обработка ультразвуком без пауз создаёт множество зародышей, что приводит к росту большого числа мелких кристаллов.
Импульсная обработка ультразвуком: Импульсный ультразвук означает воздействие ультразвуком через заданные интервалы. Точно контролируемый ввод ультразвуковой энергии позволяет влиять на рост кристаллов для получения кристаллов заданного размера.

Высокопроизводительные ультразвуковые аппараты для синтеза наночастиц

Hielscher Ultrasonics предлагает мощные, надёжные ультразвуковые процессоры, разработанные для передовых сонохимических применений, включая соносинтез и сонокатализ. Ультразвуковое смешивание и диспергирование значительно усиливают массоперенос, способствуют смачиванию кластеров атомов и облегчают последующее образование зародышей, приводя к эффективному осаждению наночастиц. Ультразвуковой синтез признан простым, экономически выгодным, биосовместимым, воспроизводимым, быстрым и безопасным методом получения высококачественных наноматериалов. (Узнайте больше о сонохимическом синтезе перовскита и наноструктур ZnO!)

Ультразвуковые аппараты Hielscher разработаны для точного управления, обеспечивающего оптимальные условия для образования зародышей и роста наноматериалов. Эти цифровые устройства оснащены интеллектуальным программным обеспечением, цветным сенсорным дисплеем и интуитивно понятным меню для безопасной и удобной работы. Кроме того, они автоматически записывают данные на встроенную SD-карту, обеспечивая бесперебойное документирование процесса.

Благодаря широкому ассортименту систем – от компактных ручных ультразвуковых аппаратов мощностью 50 ватт для лабораторного использования до прочных промышленных систем мощностью 16 000 ватт – Hielscher предлагает идеальное ультразвуковое решение для любого применения. Ультразвуковое оборудование Hielscher, спроектированное для долговечной эксплуатации, рассчитано на непрерывную работу при высоких нагрузках, даже в сложных условиях, обеспечивая надёжную работу 24/7.
Таблица ниже даёт представление о приблизительной производительности обработки наших ультразвуковых аппаратов:

Сравнение традиционных методов синтеза наночастиц и методов зелёного синтеза.