Sinteza nanosrebra z medom in ultrazvokom

Nanosrebro se zaradi svojih protibakterijskih lastnosti uporablja za izboljšanje materialov v medicini in znanosti o materialih. Ultrazvočna obdelava omogoča hitro, učinkovito, varno in okolju prijazno sintezo sferičnih srebrovih nanodelcev v vodi. Ultrazvočno sintezo nanodelcev je mogoče preprosto prenesti iz proizvodnje v majhnem obsegu v proizvodnjo v velikem obsegu.

Ultrazvočno podprta sinteza koloidnega nanosrebra

Sonokemična sinteza, ki se nanaša na kemijske reakcije, pospešene z ultrazvočnim obsevanjem, je široko uporabljena metoda za proizvodnjo nanodelcev. Ti vključujejo srebro, zlato, magnetit, hidroksiapatit, perovskit, lateks in številne druge nanomateriale.

Ultrazvočna mokrokemijska sinteza

Za proizvodnjo srebrovih nanodelcev je bilo razvitih več ultrazvočno podprtih sinteznih poti. Ena od pomembnih metod uporablja med kot reducent in sredstvo za površinsko zaščito. Sestavine medu, kot sta glukoza in fruktoza, med postopkom sinteze v teh vlogah delujejo sinergistično.
Podobno kot številne tehnike sinteze nanodelcev tudi ultrazvočna sinteza nanosrebra spada na področje mokre kemije. Postopek se začne z nukleacijo srebrovih nanodelcev v raztopini. Med sonikacijo se prekurzor srebra (npr. srebrov nitrat (AgNO₃) ali srebrov perklorat (AgClO₄)) reducira v prisotnosti reducenta, kot je med, pri čemer nastane koloidno srebro.

Mehanizem ultrazvočne nukleacije in rasti srebra

Začetna faza nukleacije: Ko koncentracija raztopljenih srebrovih ionov narašča, se ioni kovinskega srebra začnejo povezovati v majhne skupke. V tej fazi so ti skupki zaradi negativne energijske bilance energijsko nestabilni. Energija, potrebna za nastanek novih površin, presega energijo, pridobljeno z zmanjšanjem koncentracije raztopljenega srebra.

• Kritični polmer: Ko skupek doseže določeno velikost (kritični polmer), postane proces energijsko ugoden, kar stabilizira skupek. Ta stabilnost omogoča, da skupek deluje kot jedro za nadaljnjo rast.
• Faza rasti: Med rastjo dodatni atomi srebra difundirajo skozi raztopino in se vežejo na površino rastočega nanodelca. Rast se nadaljuje, dokler koncentracija raztopljenega srebra ne pade pod prag nukleacije, kar ustavi nastajanje novih jeder.
• Difuzija in zaključek: Preostalo raztopljeno srebro se vgradi v obstoječe nanodelce, s čimer se postopek zaključi.

Sonikacija pospešuje prenos snovi, zlasti procese omočenja in difuzije, kar vodi do hitrejše nukleacije in nadzorovane rasti. Z natančnim prilagajanjem parametrov sonikacije, kot sta intenzivnost in trajanje, je mogoče natančno uravnavati velikost, hitrost rasti in obliko nanodelcev. Ta natančen nadzor zagotavlja enotne strukture nanodelcev, prilagojene posameznim uporabam.

Ultrazvočno podprta sinteza izstopa kot učinkovit pristop zelene kemije za proizvodnjo nanosrebra z natančno določenimi lastnostmi, ki omogoča povečanje obsega proizvodnje in ponuja pomembne prednosti za različne uporabe v raziskavah in industriji.

Kliknite tukaj in preberite več o še eni zeleni metodi ultrazvočne sinteze nanosrebra s karagenanom!

Sonikacija omogoča hitro, zeleno sintezo majhnih srebrovih nanodelcev z ozko porazdelitvijo velikosti.

Študija primera ultrazvočne sinteze nanosrebra

Študija z naslovom »Sinteza srebrovih nanodelcev z medom in ultrazvočno podporo ter njihovo protibakterijsko delovanje« avtorjev Oskuee et al. (2016) raziskuje preprosto in okolju prijazno metodo sinteze srebrovih nanodelcev (Ag-NPs), pri kateri se naravni med uporablja kot reducent in stabilizator. Postopek, ki vključuje redukcijo srebrovega nitrata (AgNO₃) pod ultrazvočnim obsevanjem, opredeljujejo različni parametri, vključno s koncentracijo srebrovih ionov, koncentracijo medu in časom sonikacije. Nastali Ag-NPs imajo povprečno velikost približno 11,8 nm in izkazujejo protibakterijske lastnosti proti patogenim bakterijam, kot so Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa in E. coli.
Študija poudarja prednosti uporabe medu pri sintezi nanodelcev, zlasti njegovo okolju prijaznost, nizke stroške in netoksičnost. Avtorji dokazujejo, da je mogoče velikost in izkoristek Ag-NPs nadzorovati s prilagajanjem reakcijskih parametrov, kot so koncentracija srebra, vsebnost medu in trajanje sonikacije. Dokazano je bilo, da sintetizirani Ag-NPs učinkovito delujejo protibakterijsko, zlasti proti E. coli in S. aureus, pri minimalnih inhibitornih koncentracijah (MIC) približno 19,46 ppm. Ta metoda nakazuje potencialno uporabo Ag-NPs na medicinskih področjih, vključno s celjenjem ran in obvladovanjem okužb.

• Materiali: srebrov nitrat (AgNO₃) kot prekurzor srebra; med kot sredstvo za površinsko zaščito / reducent; voda
• Ultrazvočna naprava: Sonikator s sondo UP400St

Protokol ultrazvočne sinteze

Ugotovljeni najboljši pogoji za sintezo koloidnih srebrovih nanodelcev so bili naslednji: redukcija srebrovega nitrata med ultrazvočno obdelavo ob posredovanju naravnega medu. Na kratko: 20 ml raztopine srebrovega nitrata (0,3 M), ki je vsebovala med (20 wt%), je bilo pri pogojih okolice 30 min izpostavljeno ultrazvočnemu obsevanju visoke intenzivnosti. Ultrazvočna obdelava je bila izvedena z ultrazvočnim procesorjem s sondo UP400S (400W, 24 kHz), potopljeno neposredno v reakcijsko raztopino.
Med živilske kakovosti se uporablja kot sredstvo za površinsko zaščito / stabilizator in reducent, zaradi česar so vodna raztopina za nukleacijo in oborjeni nanodelci čisti in varni za številne uporabe.
S podaljševanjem časa ultrazvočne obdelave se srebrovi nanodelci manjšajo, njihova koncentracija pa se povečuje.
V vodni raztopini medu je ultrazvočna obdelava ključni dejavnik, ki vpliva na nastajanje srebrovih nanodelcev. Parametri sonikacije, kot so amplituda, čas ter neprekinjen ali pulzirajoč ultrazvok, so glavni dejavniki, ki omogočajo nadzor velikosti in količine srebrovih nanodelcev.

Porazdelitev velikosti delcev Ag-NPs, sintetiziranih pri optimalnih pogojih; koncentracije srebra (0,3 M), koncentracije medu (20 wt%) in časi ultrazvočnega obsevanja (30 min)
vir slike: ©Oskuee et al. 2016

Rezultat ultrazvočne sinteze srebrovih nanodelcev

Z ultrazvokom pospešena sinteza ob posredovanju medu s sonikatorjem UP400St je dala sferične srebrove nanodelce (Ag-NPs) s povprečno velikostjo delcev približno 11,8nm. Ultrazvočna sinteza srebrovih nanodelcev je preprosta in hitra metoda v eni posodi. Uporaba vode in medu kot materialov naredi reakcijo stroškovno učinkovito in izjemno okolju prijazno.
Predstavljeno tehniko ultrazvočne sinteze, pri kateri se med uporablja kot reducent in sredstvo za površinsko zaščito, je mogoče razširiti na druge plemenite kovine, kot so zlato, paladij in baker, kar ponuja različne dodatne možnosti uporabe od medicine do industrije.

Porazdelitev velikosti delcev Ag-NPs, sintetiziranih pri optimalnih pogojih; koncentracije srebra (0,3 M), koncentracije medu (20 wt%) in čas ultrazvočnega obsevanja (30 min)
Študija in slika: ©Oskuee et al. 2016

Vplivanje na nukleacijo in velikost delcev s sonikacijo

Ultrazvok omogoča proizvodnjo nanodelcev, kot so srebrovi nanodelci, prilagojenih zahtevam. Trije splošni načini sonikacije pomembno vplivajo na rezultat:
Začetna sonikacija: Kratkotrajna uporaba ultrazvočnih valov v prenasičeni raztopini lahko sproži zasejanje in nastajanje jeder. Ker se sonikacija uporablja samo v začetni fazi, nadaljnja rast kristalov poteka neovirano, kar povzroči nastanek večjih kristalov.
Neprekinjena sonikacija: Neprekinjeno obsevanje prenasičene raztopine povzroči nastanek majhnih kristalov, saj ultrazvočna obdelava brez prekinitev ustvari veliko jeder, kar vodi do rasti številnih majhnih kristalov.
Pulzna sonikacija: Pulzni ultrazvok pomeni uporabo ultrazvoka v določenih intervalih. Natančno nadzorovan vnos ultrazvočne energije omogoča vplivanje na rast kristalov, da se doseže prilagojena velikost kristalov.

Visokozmogljivi ultrazvočni procesorji za sintezo nanodelcev

Hielscher Ultrasonics ponuja zanesljive ultrazvočne procesorje velike moči, zasnovane za napredne sonokemične uporabe, vključno s sonosintezo in sonokatalizo. Ultrazvočno mešanje in dispergiranje znatno izboljšata prenos snovi, spodbujata omočenje atomskih skupkov in olajšata njihovo nadaljnjo nukleacijo, kar vodi do učinkovitega obarjanja nanodelcev. Ultrazvočna sinteza je priznana kot preprosta, stroškovno učinkovita, biokompatibilna, ponovljiva, hitra in varna metoda za proizvodnjo visokokakovostnih nanomaterialov. (Preberite več o sonokemični sintezi perovskita in nanostruktur ZnO!)

Ultrazvočni procesorji Hielscher so zasnovani za natančen nadzor, ki omogoča optimalne pogoje za nukleacijo in rast nanomaterialov. Te digitalne naprave imajo inteligentno programsko opremo, barvni zaslon na dotik in intuitiven meni za varno in uporabniku prijazno upravljanje. Poleg tega omogočajo samodejno beleženje podatkov na vgrajeno kartico SD, kar zagotavlja nemoteno dokumentiranje procesa.

S celovito ponudbo sistemov – od kompaktnih ročnih ultrazvočnih procesorjev z močjo 50 vatov za laboratorijsko uporabo do robustnih industrijskih sistemov z močjo 16.000 vatov – Hielscher zagotavlja idealno ultrazvočno rešitev za vsako uporabo. Ultrazvočna oprema Hielscher je zasnovana za dolgo življenjsko dobo in izdelana za neprekinjeno delovanje pri velikih obremenitvah, tudi v zahtevnih okoljih, kar zagotavlja zanesljivo delovanje 24/7.
Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih procesorjev:

Primerjava konvencionalnih metod in zelenih metod sinteze nanodelcev.