Sinteza efikase dhe e kontrolluar e nanogrimcave të arit

Nanogrimcat e arit me formë dhe morfologji uniforme mund të sintetizohen me efikasitet nëpërmjet rrugës sonokimike. Reaksioni kimik i sintezës së nanogrimcave të arit, i nxitur nga ultratingujt, mund të kontrollohet me saktësi për sa i përket madhësisë, formës (p.sh., nanosfera, nanoshufra, nanobreza etj.) dhe morfologjisë së grimcave. Procedura kimike efikase, e thjeshtë, e shpejtë dhe e gjelbër mundëson prodhimin e besueshëm të nanostrukturave të arit në shkallë industriale.

Nanogrimcat dhe nanostrukturat e arit

Nanogrimcat e arit dhe strukturat me përmasa nanometrike përdoren gjerësisht në kërkim dhe zhvillim dhe në proceset industriale për shkak të vetive unike të arit me përmasa nanometrike, përfshirë karakteristikat elektronike, magnetike dhe optike, efektet kuantike të madhësisë, rezonancën e plazmoneve sipërfaqësore, aktivitetin e lartë katalitik dhe vetorganizimin, ndër veti të tjera. Fushat e zbatimit të nanogrimcave të arit (Au-NPs) shtrihen nga përdorimi si katalizator deri te prodhimi i pajisjeve nanoelektronike, si dhe përfshijnë përdorimin në imazheri, nanofotonikë, nanomagnetizëm, biosensorë, sensorë kimikë, zbatime optike dhe teranostike, shpërndarjen e barnave dhe përdorime të tjera.

Metodat e sintezës së nanogrimcave të arit

Grimcat e nanostrukturuara të arit mund të sintetizohen nëpërmjet rrugëve të ndryshme duke përdorur trajtimin me ultratinguj me performancë të lartë. Trajtimi me ultratinguj është një teknikë e thjeshtë, efikase dhe e besueshme; për më tepër, ai krijon kushte për reduktimin kimik të joneve të arit pa agjentë kimikë toksikë ose agresivë dhe mundëson formimin e nanogrimcave të metaleve fisnike me morfologji të ndryshme. Zgjedhja e rrugës dhe e trajtimit sonokimik (i njohur edhe si sonosintezë) mundëson prodhimin e nanostrukturave të arit, si nanosfera, nanoshufra, nanobreza etj., me madhësi dhe morfologji uniforme.
Më poshtë mund të gjeni rrugë të përzgjedhura sonokimike për përgatitjen e nanogrimcave të arit.

Metoda Turkevich e përmirësuar me ultratinguj

Trajtimi me ultratinguj përdoret për të intensifikuar reaksionin Turkevich të reduktimit me citrat, si dhe procedurat e modifikuara Turkevich.
Metoda Turkevich prodhon nanogrimca sferike të arit, mesatarisht monodisperse, me diametër rreth 10–20nm. Mund të prodhohen grimca më të mëdha, por në kurriz të monodispersitetit dhe formës. Në këtë metodë, acidi kloroaurik i nxehtë trajtohet me tretësirë të citratit të natriumit, duke prodhuar ar koloidal. Reaksioni Turkevich zhvillohet nëpërmjet formimit të nanotelave kalimtarë të arit. Këta nanotela të arit janë përgjegjës për pamjen e errët të tretësirës së reaksionit përpara se ajo të marrë ngjyrë të kuqe rubini.
Fuentes-García et al. (2020), të cilët sintetizuan nanogrimca të arit në mënyrë sonokimike, raportojnë se është e realizueshme të prodhohen nanogrimca të arit me ndërveprim të lartë absorbimi duke përdorur ultratingujt si burimin e vetëm të energjisë, duke ulur kërkesat laboratorike dhe duke kontrolluar vetitë përmes ndryshimit të parametrave të thjeshtë.
Lee et al. (2012) demonstruan se energjia ultrasonike është një parametër kyç për prodhimin e nanogrimcave sferike të arit (AuNPs) me madhësi të rregullueshme nga 20 deri në 50 nm. Sonosinteza nëpërmjet reduktimit me citrat natriumi prodhon nanogrimca sferike monodisperse të arit në tretësirë ujore në kushte atmosferike.

Metoda Turkevich-Frens me përdorimin e ultratingujve

Një modifikim i rrugës së reaksionit të përshkruar më sipër është metoda Turkevich-Frens, e cila është një proces i thjeshtë me disa hapa për sintezën e nanogrimcave të arit. Trajtimi me ultratinguj nxit rrugën e reaksionit Turkevich-Frens në të njëjtën mënyrë si rrugën Turkevich. Hapi fillestar i procesit Turkevich-Frens me disa hapa, ku reaksionet ndodhin në seri dhe paralelisht, është oksidimi i citratit, i cili jep aceton dikarboksilik. Më pas, kripa e arit(III) reduktohet në kripë të arit(I) dhe Au⁰, dhe kripa e arit(I) grumbullohet mbi atomet e Au⁰ për të formuar AuNP (shih skemën më poshtë).
 

Sinteza e nanogrimcave të arit me metodën Turkevich.
skema dhe studimi: ©Zhao et al., 2013

Kjo do të thotë se dikarboksiacetoni që rezulton nga oksidimi i citratit, në vend të vetë citratit, vepron si stabilizuesi real i AuNP në reaksionin Turkevich-Frens. Kripa e citratit ndryshon gjithashtu pH-në e sistemit, e cila ndikon në madhësinë dhe shpërndarjen e madhësisë së nanogrimcave të arit (AuNPs). Këto kushte të reaksionit Turkevich-Frens prodhojnë nanogrimca ari pothuajse monodisperse me madhësi grimcash nga 20 deri në 40nm. Madhësia e saktë e grimcave mund të ndryshohet duke ndryshuar pH-në e tretësirës, si dhe parametrat e ultratingujve. AuNPs të stabilizuara me citrat janë gjithmonë më të mëdha se 10 nm, për shkak të aftësisë së kufizuar reduktuese të citratit të trinatriumit dihidrat. Megjithatë, përdorimi i D₂O si tretës në vend të H2O gjatë sintezës së AuNPs mundëson sintetizimin e AuNPs me madhësi grimcash prej 5 nm. Meqë shtimi i D2O rrit fuqinë reduktuese të citratit, kombinimi i D2O dhe C₆H₉Na₃O₉. (shih Zhao et al., 2013)

Protokolli për rrugën sonokimike Turkevich-Frens

Për të sintetizuar nanogrimca ari me një procedurë nga poshtë-lart me metodën Turkevich-Frens, 50mL acid kloroaurik (HAuCl₄), 0,025 mM hidhen në një gotë kimike prej qelqi me vëllim 100 mL, në të cilën shtohet 1 mL tretësirë ujore 1,5% (w/v) e citratit të trinatriumit (Na₃Ct) nën veprimin e ultratingujve në temperaturën e dhomës. Trajtimi me ultratinguj u krye në 60W, 150W dhe 210W. Raporti Na₃Ct/HAuCl₄ i përdorur në mostra është 3:1 (w/v). Pas trajtimit me ultratinguj, tretësirat koloidale shfaqën ngjyra të ndryshme, vjollcë për 60 W dhe të kuqe rubini për mostrat e trajtuara në 150 dhe 210 W. Rritja e fuqisë së sonikimit prodhoi nanogrimca ari me madhësi më të vogla dhe grupime më sferike, sipas karakterizimit strukturor. Fuentes-García et al. (2021) tregojnë në hulumtimet e tyre ndikimin e fortë të rritjes së sonikimit në madhësinë e grimcave, strukturën poliedrike dhe vetitë optike të nanogrimcave të arit të sintetizuara në mënyrë sonokimike, si dhe në kinetikën e reaksionit të formimit të tyre. Si nanogrimcat e arit me madhësi 16nm, ashtu edhe ato me madhësi 12nm mund të prodhohen me një procedurë sonokimike të përshtatur. (Fuentes-García et al., 2021)
 

(a,b) Imazhi TEM (shkalla 50 nm) dhe (c) shpërndarja e madhësisë së AuNPs të sintetizuara me një
fuqi sonikimi prej 17,9 Wcm2.
Figura dhe studimi: © Dheyab et al., 2020.

Sonoliza e nanogrimcave të arit

Një metodë tjetër për prodhimin eksperimental të grimcave të arit është sonoliza, në të cilën ultratingujt përdoren për sintezën e grimcave të arit me diametër nën 10 nm. Në varësi të reagentëve, reaksioni sonolitik mund të kryhet në mënyra të ndryshme. Për shembull, gjatë sonikimit të një tretësire ujore të HAuCl₄ me glukozë, radikalet hidroksile dhe radikalet e pirolizës së sheqerit veprojnë si agjentë reduktues. Këto radikale formohen në zonën ndërfaqësore midis zgavrave që shemben, të krijuara nga ultratingujt intensivë, dhe masës së ujit. Nanostrukturat e arit kanë morfologjinë e nanoshiritave me gjerësi 30–50 nm dhe gjatësi prej disa mikrometrash. Këta shirita janë shumë elastikë dhe mund të përkulen me kënde më të mëdha se 90°. Kur glukoza zëvendësohet me ciklodekstrinë, një oligomer i glukozës, përftohen vetëm grimca sferike ari, gjë që sugjeron se glukoza është thelbësore për orientimin e morfologjisë drejt formës së shiritit.

Shembull protokolli për sintezën sonokimike të nanoarit

Materialet pararendëse që përdoren për sintetizimin e AuNP-ve të veshura me citrat përfshijnë HAuCl4, citrat natriumi dhe ujë të distiluar. Për përgatitjen e mostrës, hapi i parë përfshinte tretjen e HAuCl4 në ujë të distiluar në një përqendrim prej 0,03 M. Më pas, tretësira e HAuCl4 (2 mL) iu shtua pikë-pikë 20 mL tretësire ujore të citratit të natriumit me përqendrim 0,03 M. Gjatë fazës së përzierjes, një sondë ultrasonike me dendësi të lartë (20 kHz), e pajisur me një brirë ultrasonik, u fut në tretësirë për 5 min me një fuqi akustike prej 17,9 W·cm²
(shih Dhabey at al. 2020)

Sinteza e nanoshiritave të arit duke përdorur sonikimin

Nanoshiritat monokristalorë (shih imazhin TEM majtas) mund të sintetizohen nëpërmjet sonikimit të një tretësire ujore të HAuCl4 në prani të α-D-glukozës si reagent. Nanoshiritat e arit të sintetizuar në mënyrë sonokimike kanë një gjerësi mesatare prej 30 deri në 50 nm dhe gjatësi prej disa mikrometrash. Reaksioni ultrasonik për prodhimin e nanoshiritave të arit është i thjeshtë, i shpejtë dhe shmang përdorimin e substancave toksike. (shih Zhang et al, 2006)

Lëndët sipërfaqësisht aktive për të ndikuar në sintezën sonokimike të nanogrimcave të arit

Zbatimi i ultratingujve intensivë në reaksionet kimike nxit fillimin dhe përmirëson shndërrimin dhe rendimentet. Për të përftuar madhësi uniforme të grimcave dhe forma / morfologji të caktuara të synuara, zgjedhja e lëndëve sipërfaqësisht aktive është një faktor vendimtar. Shtimi i alkooleve ndihmon gjithashtu në kontrollin e formës dhe madhësisë së grimcave. Për shembull, në prani të a-d-glukozës, reaksionet kryesore në procesin e sonolizës së HAuCl₄ në tretësirë ujore paraqiten në ekuacionet e mëposhtme (1–4):
(1) H₂ O –> H∙ + OH∙
(2) sheqer –> radikale të pirolizës
(3) AIII + radikale reduktuese –> Au⁰
(4) nAu⁰ –> AuNP (nanoshirita)
(shih Zhao et al., 2014)

Fuqia e ultrasonikatorëve me sondë


Sondat ultrasonike ose sonotrodat (të quajtura edhe brirë ultrasonikë) transmetojnë ultratinguj me intensitet të lartë dhe kavitacion akustik në një formë shumë të përqendruar brenda tretësirave kimike. Ky transmetim efikas dhe saktësisht i kontrollueshëm i ultratingujve me fuqi të lartë mundëson kushte të besueshme, saktësisht të kontrollueshme dhe të riprodhueshme, në të cilat rrugët e reaksioneve kimike mund të nisen, të intensifikohen dhe të ndryshohen. Në të kundërt, një banjë ultrasonike (e njohur edhe si pastrues ose rezervuar ultrasonik) transmeton ultratinguj me dendësi shumë të ulët të fuqisë dhe zona kavitacioni që shfaqen në mënyrë të rastësishme në një vëllim të madh lëngu. Kjo i bën banjat ultrasonike të pabesueshme për çdo reaksion sonokimik.
“Banjat e pastrimit ultrasonik kanë një dendësi fuqie që përkon me një përqindje të vogël të asaj që gjenerohet nga një brirë ultrasonik. Përdorimi i banjave të pastrimit në sonokimi është i kufizuar, duke pasur parasysh se nuk arrihen gjithmonë madhësi dhe morfologji plotësisht homogjene të grimcave. Kjo vjen nga efektet fizike të ultratingujve mbi proceset e bërthamëzimit dhe rritjes.” (González-Mendoza et al. 2015)

Ultrasonikatorë me performancë të lartë për sintezën e nanogrimcave të arit

Hielscher Ultrasonics ofron procesorë ultrasonikë të fuqishëm dhe të besueshëm për sintezën sonokimike (sonosintezën) e nanogrimcave, si nanostrukturat e arit dhe të metaleve të tjera fisnike. Përzierja dhe dispergimi me ultratinguj rrisin transferimin e masës në sistemet heterogjene dhe nxisin lagien dhe bërthamëzimin pasues të grupimeve të atomeve për të precipituar nanogrimcat. Sinteza ultrasonike e nanogrimcave është një metodë e thjeshtë, ekonomike, biokompatibile, e riprodhueshme, e shpejtë dhe e sigurt.
Hielscher Ultrasonics ofron procesorë ultrasonikë të fuqishëm dhe saktësisht të kontrollueshëm për formimin e strukturave me përmasa nanometrike, si nanosfera, nanoshufra, nanoshirita, nanoribona, nanogrupime, grimca me bërthamë dhe mbështjellës etj.
Lexoni më shumë rreth sintezës ultrasonike të nanogrimcave të arit të ndërmjetësuar nga brokoli dhe përdorimit të tyre si barna biogjene!
Lexoni më shumë rreth sintezës me ultratinguj të nanogrimcave magnetike!
Klientët tanë i vlerësojnë veçoritë inteligjente të pajisjeve digjitale Hielscher, të cilat janë të pajisura me softuer inteligjent, ekran me prekje me ngjyra, regjistrim automatik të të dhënave në një kartë SD të integruar dhe kanë një meny intuitive për përdorim të lehtë dhe të sigurt.
Duke mbuluar të gjithë diapazonin e fuqisë, nga pajisjet laboratorike të dorës me ultratinguj prej 50 vatësh deri te sistemet e fuqishme industriale me ultratinguj prej 16 000 vatësh, Hielscher ka konfigurimin ideal me ultratinguj për aplikimin tuaj. Pajisjet sonokimike për prodhim me tufa dhe prodhim të vazhdueshëm në linjë në reaktorë me rrjedhje janë lehtësisht të disponueshme në çdo madhësi për tryezë pune dhe për përdorim industrial. Qëndrueshmëria e pajisjeve Hielscher për sonikim mundëson funksionimin 24/7 nën ngarkesë të rëndë dhe në mjedise kërkuese.

Tabela më poshtë ju jep një ide për kapacitetin e përafërt të përpunimit të pajisjeve tona me ultratinguj: