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, представляющий собой синтетические реакции под ультразвуковым облучением, широко используется для получения наночастиц, таких как серебро, золото, магнетит, гидроксиапатит, хлорохи́н, Перовскит, латекс и многие другие наноматериалы.

Ультразвуковой мокрохимический синтез

Для наночастиц серебра известно несколько путей ультразвукового синтеза. Ниже представлен способ ультразвукового синтеза с использованием меда в качестве восстановителей и лигандов. Компоненты меда, такие как глюкоза и фруктоза, отвечают за его роль как укупоривающего, так и восстановителя в процессе синтеза.
Как и большинство распространенных методов синтеза наночастиц, ультразвуковой синтез наносеребра также относится к категории мокрой химии. Ультразвуковое исследование способствует зарождению наночастиц серебра в растворе. Зарождение под ультразвуковым контролем происходит при образовании предшественника серебра (комплекса ионов серебра), например, нитрата серебра (AgNO)₃) или перхлората серебра (AgClO₄), восстанавливается до коллоидного серебра в присутствии восстановителя, такого как мед. При условии, что концентрация ионов серебра в растворе достаточно увеличивается, растворенные металлические ионы серебра связываются между собой и образуют устойчивую поверхность. Когда кластер ионов серебра еще мал, это энергетически неблагоприятное состояние из-за отрицательного энергетического баланса. Отрицательный энергетический баланс возникает потому, что энергия, полученная за счет уменьшения концентрации растворенных частиц серебра, ниже, чем энергия, затраченная на создание новой поверхности.
Когда кластер достигает критического радиуса, который является точкой, когда он становится энергетически благоприятным, он достаточно стабилен, чтобы продолжать расти. Во время фазы роста большее количество атомов серебра диффундирует через раствор и прикрепляется к поверхности. Когда концентрация растворенного атомарного серебра снижается до определенного уровня, достигается порог зародышеобразования, при котором атомы не могут дольше связываться друг с другом, чтобы образовать стабильное ядро. На этом пороге зародышеобразования рост новых наночастиц прекращается, а оставшееся растворенное серебро поглощается путем диффузии в растущие наночастицы в растворе.
Ультразвуковая обработка способствует массопереносу, т.е. смачиванию кластеров, что приводит к более быстрому зародышеобразованию. С помощью точно контролируемой ультразвука можно определить скорость роста, размер и форму структур наночастиц.
Нажмите здесь, чтобы узнать больше о еще одном зеленом методе ультразвукового синтеза наносеребра с использованием каррагинана!

Сравнение традиционных методов и методов зеленого синтеза синтеза наночастиц.

Практический пример ультразвукового синтеза наносеребра

Материалы: нитрат серебра (AgNO₃) в качестве прекурсора серебра; мед в качестве укупоривающего/восстановителя; Вода
Ультразвуковой аппарат: УП400Ст

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 ультразвуковым аппаратом зондового типа UP400S (400 Вт, 24 кГц) Погружают непосредственно в реакционный раствор.

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

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.

Результат ультразвукового синтеза наночастиц серебра

Ультразвуковой продуцированный, медопосредованный синтез с УП400Ст В результате получаются сферические наночастицы 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.

ПЭМ-изображение (А) и распределение его частиц по размерам (В) Ag-НЧ, синтезированных в оптимальных условиях.

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

Hielscher Ultrasonics поставляет мощные и надежные ультразвуковые процессоры для сонохимических применений, включая соносинтез и сонокатализ. Ультразвуковое смешивание и диспергирование увеличивает массоперенос и способствует смачиванию и последующему зарождению атомных кластеров с целью осаждения наночастиц. Ультразвуковой синтез наночастиц является простым, экономичным, биосовместимым, воспроизводимым, быстрым и безопасным методом.
Hielscher Ultrasonics поставляет мощные и точно управляемые ультразвуковые процессоры для зарождения и осаждения наноматериалов. Все цифровые устройства оснащены интеллектуальным программным обеспечением, цветным сенсорным дисплеем, автоматической записью данных на встроенную SD-карту и имеют интуитивно понятное меню для удобной и безопасной работы.
Охватывая полный диапазон мощности от ручных ультразвуковых аппаратов мощностью 50 Вт для лабораторий до мощных промышленных ультразвуковых систем мощностью 16 000 Вт, Hielscher предлагает идеальную ультразвуковую установку для вашего применения. Надежность ультразвукового оборудования Hielscher позволяет работать в режиме 24/7 в тяжелых условиях эксплуатации и в сложных условиях.
В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов: