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, ktorá sa týka chemických reakcií uľahčených ultrazvukovým ožarovaním, je široko používanou metódou na výrobu nanočastíc. Patria sem striebro, zlato, magnetit, hydroxyapatit, chlorochín, perovskit, latex a mnoho ďalších nanomateriálov.

Ultrazvuková mokro-chemická syntéza

Na výrobu nanočastíc striebra bolo vyvinutých viacero spôsobov syntézy s ultrazvukom asistovanou syntézou. Jedna pozoruhodná metóda využíva med ako redukčné aj uzatváracie činidlo. Zložky v mede, ako je glukóza a fruktóza, pôsobia v týchto úlohách synergicky počas procesu syntézy.
Podobne ako mnohé techniky syntézy nanočastíc, ultrazvuková syntéza nano-striebra spadá do kategórie mokrej chémie. Proces začína nukleáciou nanočastíc striebra v roztoku. Počas sonikácie prekurzor striebra (napr. dusičnan strieborný (AgNO₃) alebo chloristan strieborný (AgClO₄)) sa redukuje v prítomnosti redukčného činidla, ako je med, za vzniku koloidného striebra.

Mechanizmus ultrazvukovej nukleácie a rastu striebra

Počiatočná nukleačná fáza: So zvyšujúcou sa koncentráciou rozpustených iónov striebra sa začnú viazať kovové ióny striebra a vytvárať malé zhluky. V tomto štádiu sú tieto zhluky energeticky nestabilné v dôsledku negatívnej energetickej bilancie. Energia potrebná na vytvorenie nových povrchov prevyšuje energiu získanú znížením koncentrácie rozpusteného striebra.

• Kritický polomer: Keď klaster dosiahne určitú veľkosť (kritický polomer), proces sa stane energeticky priaznivým a stabilizuje klaster. Táto stabilita umožňuje, aby klaster pôsobil ako jadro pre ďalší rast.
• Fáza rastu: Počas rastu ďalšie atómy striebra difundujú cez roztok a pripájajú sa k rastúcemu povrchu nanočastíc. Rast pokračuje, kým koncentrácia rozpusteného striebra neklesne pod prah nukleácie, čím sa zastaví tvorba nových jadier.
• Difúzia a dokončenie: Zvyšné rozpustené striebro sa začlení do existujúcich nanočastíc, čím sa proces dokončí.

Sonikácia urýchľuje prenos hmoty, najmä zmáčacie a difúzne procesy, čo vedie k rýchlejšej nukleácii a kontrolovanému rastu. Presným nastavením parametrov sonikácie, ako je intenzita a trvanie, je možné jemne doladiť veľkosť, rýchlosť rastu a tvar nanočastíc. Táto presná kontrola zaisťuje konzistentné štruktúry nanočastíc prispôsobené konkrétnym aplikáciám.

Ultrazvukom asistovaná syntéza vyniká ako efektívny, škálovateľný a zelený chemický prístup k výrobe nanostriebra s dobre definovanými vlastnosťami, ktorý ponúka významné výhody pre rôzne aplikácie vo výskume a priemysle.

Kliknite sem a prečítajte si viac o ďalšej zelenej metóde ultrazvukovej syntézy nanostriebra pomocou karagénanu!

Sonikácia uľahčuje rýchlu, zelenú syntézu malých nanočastíc striebra s úzkou distribúciou veľkosti.

Prípadová štúdia ultrazvukovej syntézy nano-striebra

Štúdia s názvom “Medová a ultrazvukom asistovaná syntéza nanočastíc striebra a ich antibakteriálne aktivity” (2016) skúma jednoduchú a ekologickú metódu syntézy nanočastíc striebra (Ag-NP) s použitím prírodného medu ako redukčného aj stabilizačného činidla. Proces, ktorý zahŕňa redukciu dusičnanu strieborného (AgNO₃) pri ultrazvukovom ožarovaní, sa vyznačuje rôznymi parametrami vrátane koncentrácie iónov striebra, koncentrácie medu a času sonikácie. Výsledné Ag-NP majú priemernú veľkosť asi 11,8 nm a vykazujú antibakteriálne vlastnosti proti patogénnym baktériám, ako sú Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa a E. coli.
Štúdia zdôrazňuje výhody použitia medu pri syntéze nanočastíc a zdôrazňuje jeho zelenú, lacnú a netoxickú povahu. Autori demonštrujú, že veľkosť a výťažok Ag-NP možno kontrolovať úpravou reakčných parametrov, ako je koncentrácia striebra, obsah medu a trvanie sonikácie. Ukázalo sa, že syntetizované Ag-NP majú účinnú antibakteriálnu aktivitu, najmä proti E. coli a S. aureus, s minimálnymi inhibičnými koncentráciami (MIC) približne 19,46 ppm. Táto metóda predstavuje potenciálne využitie Ag-NP v lekárskych oblastiach vrátane hojenia rán a kontroly infekcií.

• Materiály: dusičnan strieborný (AgNO₃) ako predchodcu striebra; med ako uzatváracie / redukčné činidlo; Voda
• Ultrazvukové zariadenie: Sondový sonikátor 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 uskutočnil pomocou ultrazvukového ultrazvuku typu sondy UP400S (400 W, 24 kHz) ponoreného priamo do reakčného roztoku.
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.

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

Výsledok ultrazvukovej syntézy nanočastíc striebra

Ultrazvukom podporovaná syntéza sprostredkovaná medom so sonikátorom UP400St vyústila do sférických nanočastíc 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.

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

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 nanočastíc

Spoločnosť Hielscher Ultrasonics ponúka vysoko výkonné a spoľahlivé ultrazvukové procesory určené pre pokročilé sonochemické aplikácie, vrátane sonosyntézy a sonokatalýzy. Ultrazvukové miešanie a dispergácia výrazne zvyšuje prenos hmoty, podporuje zvlhčenie atómových zhlukov a uľahčuje ich následnú nukleáciu, čo vedie k efektívnemu zrážaniu nanočastíc. Ultrazvuková syntéza sa považuje za jednoduchú, nákladovo efektívnu, biokompatibilnú, reprodukovateľnú, rýchlu a bezpečnú metódu výroby vysokokvalitných nanomateriálov. (Prečítajte si viac o sonochemickej syntéze perovskitu a Nanoštruktúry ZnO!)

Ultrazvukové prístroje Hielscher sú navrhnuté na presnú kontrolu, čo umožňuje optimálne podmienky pre nukleáciu a rast nanomateriálov. Tieto digitálne zariadenia sú vybavené inteligentným softvérom, farebným dotykovým displejom a intuitívnym menu pre bezpečné a užívateľsky prívetivé ovládanie. Okrem toho sa dodávajú s automatickým záznamom údajov na vstavanú SD kartu, čo zaisťuje bezproblémovú dokumentáciu procesov.

S komplexným sortimentom systémov – od kompaktných 50-wattových ručných ultrazvukových prístrojov pre laboratórne použitie až po robustné 16 000-wattové priemyselné systémy – poskytuje spoločnosť Hielscher ideálne ultrazvukové riešenie pre každú aplikáciu. Ultrazvukové zariadenie Hielscher, navrhnuté pre odolnosť, je skonštruované tak, aby fungovalo nepretržite v náročných podmienkach, a to aj v náročných prostrediach, čo zaisťuje spoľahlivý výkon 24 hodín denne, 7 dní v týždni.
Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov:

Porovnanie konvenčných metód a metód zelenej syntézy nanočastíc.