Syntéza nano-striebra s medom a ultrazvukom

Nanostriebro sa používa pre svoje antibakteriálne vlastnosti na posilnenie materiálov v medicíne a materiálovej vede. Ultrazvuk umožňuje rýchlu, účinnú, bezpečnú a ekologickú syntézu sférických nanočastíc striebra vo vode. Ultrazvukovú syntézu nanočastíc je možné ľahko škálovať z malej na veľkú produkciu.

Ultrazvukom asistovaná syntéza koloidného nanostriebra

Sonochemická syntéza, čo sú syntetické reakcie pri ultrazvukovom ožarovaní, sa široko používa na výrobu nanočastíc, ako je striebro, zlato, magnetit, hydroxyapatit, chlorochín, perovskit, latex a mnoho ďalších nanomateriálov.

Ultrazvuková mokro-chemická syntéza

Pre nanočastice striebra je známych niekoľko ciest syntézy s ultrazvukom asistovanou syntézou. Nižšie je uvedená cesta ultrazvukovej syntézy s použitím medu ako redukčných a ligandových uzatváracích činidiel. Zložky medu, ako je glukóza a fruktóza, sú zodpovedné za jeho úlohu ako uzatváracieho aj redukčného činidla v procese syntézy.
Rovnako ako väčšina bežných metód syntézy nanočastíc, aj ultrazvuková syntéza nano-striebra spadá do kategórie mokrej chémie. Ultrazvuk podporuje nukleáciu nanočastíc striebra v roztoku. Ultrazvukom podporovaná nukleácia nastáva, keď prekurzor striebra (komplex iónov striebra), napr. dusičnan strieborný (AgNO)₃) alebo chloristan strieborný (AgClO₄), redukuje na koloidné striebro v prítomnosti redukčného činidla, ako je med. Pod podmienkou, že sa koncentrácia iónov striebra v roztoku dostatočne zvýši, sa rozpustené kovové ióny striebra spoja a vytvoria stabilný povrch. Keď je zhluk iónov striebra ešte malý, ide o energeticky nepriaznivý stav v dôsledku zápornej energetickej bilancie. Záporná energetická bilancia nastáva, pretože energia získaná znížením koncentrácie rozpustených častíc striebra je nižšia ako energia vynaložená vytvorením nového povrchu.
Keď klaster dosiahne kritický polomer, čo je bod, keď sa stane energeticky priaznivým, je dostatočne stabilný na to, aby mohol pokračovať v raste. Počas rastovej fázy viac atómov striebra difunduje cez roztok a pripája sa k povrchu. Keď koncentrácia rozpusteného atómového striebra klesne na určitý bod, dosiahne sa prah nukleácie, takže atómy sa nemôžu dlhšie viazať, aby vytvorili stabilné jadro. Pri tomto prahu nukleácie sa rast nových nanočastíc zastaví a zvyšné rozpustené striebro sa absorbuje difúziou do rastúcich nanočastíc v roztoku.
Sonikácia podporuje prenos hmoty, t. j. zvlhčenie zhlukov, čo má za následok rýchlejšiu nukleáciu. Presne riadenou sonikáciou je možné určiť rýchlosť rastu, veľkosť a tvar štruktúr nanočastíc.
Kliknite sem a prečítajte si viac o ďalšej zelenej metóde ultrazvukovej syntézy nanostriebra pomocou karagénanu!

Porovnanie konvenčných metód a metód zelenej syntézy nanočastíc.

Prípadová štúdia ultrazvukovej syntézy nano-striebra

Materiály: dusičnan strieborný (AgNO₃) ako predchodcu striebra; med ako uzatváracie / redukčné činidlo; Voda
Ultrazvukové zariadenie: UP400St

Protokol ultrazvukovej syntézy

Zistilo sa, že najlepšie podmienky na syntézu nanočastíc koloidného striebra sú nasledovné: Redukcia dusičnanu strieborného pri ultrazvuku sprostredkovanom prírodným medom. Stručne povedané, 20 ml roztoku dusičnanu strieborného (0,3 M) obsahujúceho med (20 hm.) bolo vystavených vysoko intenzívnemu ultrazvukovému žiareniu za okolitých podmienok počas 30 minút. Ultrazvuk sa uskutočňoval pomocou ultrazvuku typu sondy UP400S (400 W, 24 kHz) ponorené priamo do reakčného roztoku.

Distribúcia veľkosti častíc Ag-NP syntetizovaných v optimálnych podmienkach; koncentrácie striebra (0,3 M), koncentrácie medu (20 hm.) a doba ultrazvukového žiarenia (30 min)
zdroj obrázka: Oskuee et al. 2016

Potravinársky med sa používa ako uzatváracie / stabilizačné a redukčné činidlo, vďaka čomu je vodný nukleačný roztok a vyzrážané nanočastice čisté a bezpečné pre rôzne aplikácie.
So zvyšujúcim sa časom ultrazvuku sa nanočastice striebra zmenšujú a zvyšuje sa ich koncentrácia.
Vo vodnom roztoku medu je ultrazvuk kľúčovým faktorom, ktorý ovplyvňuje tvorbu nanočastíc striebra. Parametre sonikácie, ako je amplitúda, čas a kontinuálny vs pulzujúci ultrazvuk, sú hlavnými faktormi, ktoré umožňujú kontrolovať veľkosť a množstvo nanočastíc striebra.

Výsledok ultrazvukovej syntézy nanočastíc striebra

Ultrazvukom podporovaná syntéza sprostredkovaná medom s UP400St výsledkom boli sférické nanočastice striebra (Ag-NP) s priemernou veľkosťou častíc asi 11,8 nm. Ultrazvuková syntéza nanočastíc striebra je jednoduchá a rýchla metóda v jednom hrnci. Vďaka použitiu vody a medu ako materiálov je reakcia nákladovo efektívna a mimoriadne šetrná k životnému prostrediu.
Prezentovanú techniku ultrazvukovej syntézy s použitím medu ako redukčného a uzatváracieho činidla je možné rozšíriť aj na ďalšie ušľachtilé kovy, ako je zlato, paládium a meď, čo ponúka rôzne doplnkové aplikácie od medicíny až po priemysel.

TEM obraz (A) a jeho distribúcia veľkosti častíc (B) Ag-NP syntetizovaných v optimálnych podmienkach.

Ovplyvňovanie nukleácie a veľkosti častíc sonikáciou

Ultrazvuk umožňuje výrobu nanočastíc, ako sú nanočastice striebra, prispôsobené požiadavkám. Tri všeobecné možnosti sonikácie majú dôležitý vplyv na výstup:
Počiatočná sonikácia: Krátka aplikácia ultrazvukových vĺn na presýtený roztok môže iniciovať výsev a tvorbu jadier. Keďže sonikácia sa aplikuje iba počas počiatočnej fázy, následný rast kryštálov prebieha bez prekážok, čo vedie k väčším kryštálom.
Nepretržitá sonikácia: Nepretržité ožarovanie presýteného roztoku má za následok malé kryštály, pretože neprerušená ultrazvuková signalizácia vytvára veľa jadier, čo vedie k rastu mnohých malých kryštálov.
Pulzná sonikácia: Pulzný ultrazvuk znamená aplikáciu ultrazvuku v určených intervaloch. Presne riadený vstup ultrazvukovej energie umožňuje ovplyvniť rast kryštálov s cieľom získať prispôsobenú veľkosť kryštálu.

Vysokovýkonné ultrazvukové prístroje na syntézu

Spoločnosť Hielscher Ultrasonics dodáva výkonné a spoľahlivé ultrazvukové procesory pre sonochemické aplikácie vrátane sonosyntézy a sonokatalýzy. Ultrazvukové miešanie a dispergácia zvyšuje prenos hmoty a podporuje zmáčanie a následnú nukleáciu atómových zhlukov s cieľom vyzrážať nanočastice. Ultrazvuková syntéza nanočastíc je jednoduchá, nákladovo efektívna, biokompatibilná, reprodukovateľná, rýchla a bezpečná metóda.
Spoločnosť Hielscher Ultrasonics dodáva výkonné a presne ovládateľné ultrazvukové procesory na nukleáciu a zrážanie nanomateriálov. Všetky digitálne zariadenia sú vybavené inteligentným softvérom, farebným dotykovým displejom, automatickým záznamom údajov na vstavanú SD kartu a intuitívnym menu pre užívateľsky prívetivú a bezpečnú obsluhu.
Spoločnosť Hielscher, ktorá pokrýva celý rozsah výkonu od 50 wattových ručných ultrazvukových prístrojov pre laboratórium až po výkonné priemyselné ultrazvukové systémy s výkonom 16 000 wattov, má ideálne ultrazvukové nastavenie pre vašu aplikáciu. Robustnosť ultrazvukového zariadenia Hielscher umožňuje prevádzku 24 hodín denne, 7 dní v týždni pri náročných nákladoch a v náročných prostrediach.
Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov: