Синтез наносеребра с медом и ультразвуком

Наносеребро используется благодаря своим антибактериальным свойствам для упрочнения материалов в медицине и материаловедении. Ультразвуковое исследование позволяет осуществлять быстрый, эффективный, безопасный и экологически чистый синтез сферических наночастиц серебра в воде. Синтез ультразвуковых наночастиц может быть легко масштабирован от малого до крупного производства.

Ультразвуковой синтез коллоидного наносеребра

Сонохимический синтез, который относится к химическим реакциям, облегчаемым ультразвуковым облучением, является широко применяемым методом получения наночастиц. К ним относятся серебро, золото, магнетит, гидроксиапатит, хлорохи́н, Перовскит, латекс и многие другие наноматериалы.

Ультразвуковой мокрохимический синтез

Разработано несколько путей ультразвукового синтеза для получения наночастиц серебра. Одним из примечательных методов является использование меда в качестве восстановителя и укупорочного агента. Компоненты меда, такие как глюкоза и фруктоза, действуют синергетически в этих ролях в процессе синтеза.
Подобно многим методам синтеза наночастиц, ультразвуковой синтез наносеребра подпадает под категорию мокрой химии. Процесс начинается с зарождения наночастиц серебра в растворе. Во время ультразвуковой обработки прекурсор серебра (например, нитрат серебра (AgNO)₃), или перхлорат серебра (AgClO₄)) восстанавливается в присутствии восстановителя, такого как мед, с образованием коллоидного серебра.

Механизм зародышеобразования и роста серебра с помощью ультразвукового излучения

Начальная фаза зародышеобразования: По мере увеличения концентрации растворенных ионов серебра ионы металлического серебра начинают связываться, образуя небольшие кластеры. На данном этапе эти кластеры энергетически нестабильны из-за отрицательного энергетического баланса. Энергия, необходимая для создания новых поверхностей, превышает энергию, полученную за счет снижения концентрации растворенного серебра.

• Критический радиус: Когда кластер достигает определенного размера (критического радиуса), процесс становится энергетически благоприятным, стабилизируя кластер. Такая стабильность позволяет кластеру выступать в качестве ядра для дальнейшего роста.
• Фаза роста: Во время роста дополнительные атомы серебра диффундируют через раствор и прикрепляются к поверхности растущей наночастицы. Рост продолжается до тех пор, пока концентрация растворенного серебра не упадет ниже порога зародышеобразования, останавливая образование новых ядер.
• Диффузия и завершение: Оставшееся растворенное серебро встраивается в существующие наночастицы, завершая процесс.

Ультразвуковая обработка ускоряет массоперенос, особенно процессы смачивания и диффузии, что приводит к более быстрому зародышеобразованию и контролируемому росту. Точно регулируя параметры ультразвука, такие как интенсивность и продолжительность, можно точно настроить размер, скорость роста и форму наночастиц. Такое точное управление обеспечивает стабильную структуру наночастиц, адаптированную для конкретных областей применения.

Ультразвуковой синтез выделяется как эффективный, масштабируемый и экологичный химический подход к производству наносеребра с четко определенными свойствами, предлагающий значительные преимущества для различных применений в исследованиях и промышленности.

Нажмите здесь, чтобы узнать больше о еще одном зеленом методе ультразвукового синтеза наносеребра с использованием каррагинана!

Ультразвуковая обработка способствует быстрому зеленому синтезу мелких наночастиц серебра с узким распределением по размерам.

Практический пример ультразвукового синтеза наносеребра

Исследование под названием “Синтез наночастиц серебра на основе меда и с помощью ультразвука и их антибактериальная активность” Oskuee et al. (2016) исследует простой и экологически чистый метод синтеза наночастиц серебра (Ag-NPs) с использованием натурального меда в качестве восстановителя и стабилизатора. Процесс, который включает в себя восстановление нитрата серебра (AgNO₃) под ультразвуковым облучением, характеризуется различными параметрами, включая концентрацию ионов серебра, концентрацию меда и время ультразвука. Полученные Ag-NP имеют средний размер около 11,8 нм и проявляют антибактериальные свойства против патогенных бактерий, таких как Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa и E. coli.
В исследовании подчеркиваются преимущества использования меда в синтезе наночастиц, подчеркивая его экологичность, недорогость и нетоксичность. Авторы демонстрируют, что размер и выход Ag-NP можно контролировать, регулируя такие параметры реакции, как концентрация серебра, содержание меда и продолжительность ультразвука. Показано, что синтезированные Ag-НЧ обладают эффективной антибактериальной активностью, в частности в отношении E. coli и S. aureus, с минимальными ингибиторными концентрациями (MIC) около 19,46 ppm. Этот метод представляет собой потенциальное применение Ag-NP в медицинских областях, включая заживление ран и контроль инфекций.

• Материалы: нитрат серебра (AgNO₃) в качестве прекурсора серебра; мед в качестве укупоривающего/восстановителя; Вода
• Ультразвуковой аппарат: Ультразвуковая аппарат зондового типа UP400St

Протокол ультразвукового синтеза

Наилучшими условиями для синтеза наночастиц коллоидного серебра оказались следующие: Восстановление нитрата серебра под ультразвуком при опосредовании натуральным медом. Вкратце, 20 мл раствора нитрата серебра (0,3 М), содержащего мед (20 мас.%), подвергали высокоинтенсивному ультразвуковому облучению в условиях окружающей среды в течение 30 мин. Ультразвуковое исследование проводилось с помощью ультразвукового аппарата зондового типа UP400S (400 Вт, 24 кГц), погруженного непосредственно в реакционный раствор.
Пищевой мед используется в качестве укупоривающего/стабилизирующего и восстановительного агента, что делает водный раствор зародышеобразования и осажденные наночастицы чистыми и безопасными для применения в различных формах.
По мере увеличения времени ультразвукового исследования наночастицы серебра становятся меньше, а их концентрация увеличивается.
В водном растворе меда ультразвук является ключевым фактором, влияющим на образование наночастиц серебра. Параметры ультразвуковой обработки, такие как амплитуда, время и непрерывный и пульсирующий ультразвук, являются основными факторами, которые позволяют контролировать размер и количество наночастиц серебра.

Гранулометрический состав Ag-NPs, синтезированных в оптимальных условиях; концентрации серебра (0,3 М), концентрации меда (20 мас.%) и время ультразвукового облучения (30 мин)
источник изображения: ©Oskuee et al. 2016

Результат ультразвукового синтеза наночастиц серебра

Ультразвуковой синтез, опосредованный медом с помощью ультразвукового аппарата UP400St, привел к получению сферических наночастиц серебра (Ag-NPs) со средним размером частиц около 11,8 нм. Ультразвуковой синтез наночастиц серебра является простым и быстрым методом. Использование воды и меда в качестве материалов делает реакцию экономически эффективной и исключительно экологически чистой.
Представленный метод ультразвукового синтеза с использованием меда в качестве восстановителя и укупорочного агента может быть распространен на другие благородные металлы, такие как золото, палладий и медь, что предлагает различные дополнительные применения от медицины до промышленности.

Гранулометрический состав Ag-NPs, синтезированных в оптимальных условиях; концентрации серебра (0,3 М), концентрации меда (20 мас.%) и время ультразвукового облучения (30 мин)
Исследование и фото: ©Oskuee et al. 2016

Влияние на зарождение и размер частиц с помощью ультразвука

Ультразвук позволяет производить наночастицы, такие как наночастицы серебра, в соответствии с требованиями. Три основных варианта обработки ультразвуком оказывают важное влияние на результат:
Начальная ультразвуковая обработка: Кратковременное применение ультразвуковых волн к пересыщенному раствору может инициировать затравливание и образование ядер. Поскольку ультразвуковая обработка применяется только на начальной стадии, последующий рост кристаллов протекает беспрепятственно, что приводит к образованию более крупных кристаллов.
Непрерывная ультразвуковая обработка: Непрерывное облучение пересыщенного раствора приводит к образованию мелких кристаллов, так как неприостановленное ультразвуковое излучение создает множество ядер, что приводит к росту множества мелких кристаллов.
Импульсная ультразвуковая обработка: Импульсный ультразвук означает применение ультразвука через определенные промежутки времени. Точно контролируемый ввод ультразвуковой энергии позволяет влиять на рост кристаллов с целью получения кристаллов индивидуального размера.

Высокопроизводительные ультразвуковые аппараты для синтеза наночастиц

Hielscher Ultrasonics предлагает мощные, надежные ультразвуковые процессоры, предназначенные для передовых сонохимических применений, включая соносинтез и сонокатализ. Ультразвуковое смешивание и диспергирование значительно усиливают массообмен, способствуют смачиванию атомных кластеров и облегчают их последующее зарождение, что приводит к эффективному осаждению наночастиц. Ультразвуковой синтез признан простым, экономичным, биосовместимым, воспроизводимым, быстрым и безопасным методом получения высококачественных наноматериалов. (Подробнее о сонохимическом синтезе перовскита и Наноструктуры ZnO!)

Ультразвуковые аппараты Hielscher разработаны для точного управления, обеспечивая оптимальные условия для зарождения 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 поставляются с автоматической записью данных на встроенную SD-карту, что обеспечивает бесшовное документирование процесса.

Благодаря широкому ассортименту систем — от компактных портативных ультразвуковых аппаратов мощностью 50 Вт для лабораторного использования до надежных промышленных систем мощностью 16 000 Вт — Hielscher предлагает идеальное ультразвуковое решение для любого применения. Разработанное для долговечности, ультразвуковое оборудование Hielscher предназначено для непрерывной работы в тяжелых условиях, даже в сложных условиях, обеспечивая надежную работу 24/7.
В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов:

Сравнение традиционных методов и методов зеленого синтеза синтеза наночастиц.