Zlatne nanočestice ujednačenog oblika i morfologije mogu se efikasno sintetizovati putem sonohemijskog puta. Ultrasonično promovisana hemijska reakcija sinteze zlatnog nanočecikla može se precizno kontrolisati za veličinu čestica, oblik (npr. nanosfere, nanorode, nanobelte itd.) i morfologiju. Efikasnost, jednostavna, brza i zelena hemijska procedura omogućava pouzdanu proizvodnju zlatnih nanostruktura na industrijskom nivou.

Zlatne nanočestice i nanostrukture

Zlatne nanočestice i nano-veličine se široko primenjuju u R&D i industrijski procesi zbog jedinstvenih osobina zlata nano veličine, uključujući elektronske, magnetne i optičke karakteristike, kvantne efekte veličine, rezonancu površinskog plazmona, visoku katalitičku aktivnost, samostalno okupljanje između ostalih svojstava. Polja primene za zlatne nano-čestice (Au-NPs) kreću se od upotrebe kao katalizatora do proizvodnje nanoelektroničkih uređaja, kao i upotrebe u snimanju, nano-fotonici, nanomagnetici, biosensorima, hemijskim senzorima, za optičke i teranostične primene, isporuku droge kao i druge iskorišćenosti.

Metode sinteze Zlatne nanočecikle

Nano-strukturirane zlatne čestice mogu se sintetizovati različitim putevima koristeći ultrazvučnost visokih performansi. Ultrazvučnost nije samo jednostavna, efikasna i pouzdana tehnika, štaviše sonicija stvara uslove za hemijsko smanjenje zlatnih jona bez toksičnih ili oštrih hemijskih agensa i omogućava formiranje plemenitih metalnih nanočestica različitih morfologija. Izbor rute i sonohemijskog tretmana (poznat i kao sonosynthesis) omogućava proizvodnju zlatnih nanostruktura kao što su zlatni nanosheres, nanorodi, nanobelti itd. sa ujednačenom veličinom i morfologijom.
U nastavku možete pronaći odabrane sonohemijske staze za pripremu zlatnih nanočestica.

Ultrasonično unapređena turkevič metoda

Sonication se koristi za intenziviranje turkevičke reakcije smanjenja citrata, kao i modifikovanih turkevičkih procedura.
Metod Turkevič proizvodi skromno monodisperse sferne zlatne nanočestice prečnika oko 10–20nm. Veće čestice se mogu proizvesti, ali po cenu monodisperziteta i oblika. Ovom metodom, vruća hloroaurična kiselina se tretira rastvorom natrijum citrata, proizvodeći koloidno zlato. Reakcija Turkeviča nastavlja se formiranjem prolaznih zlatnih nanowiresa. Ove zlatne nanowires su odgovorne za tamni izgled resenja reakcije pre nego što postane rubin-crveno.
Fuentes-García et al. (2020), koji je sonohemijski sintetizovao zlatne nanočestice, izveštava da je izvodljivo proizvoditi zlatne nanočestice sa visokom interakcijom apsorpcije koristeći ultrazvučnost kao jedini izvor energije, smanjujući laboratorijske zahteve i kontrolišući svojstva modifikujući jednostavne parametre.
Lee et al. (2012) je demonstrirao da je ultrazvučna energija ključni parametar za proizvodnju sfernih zlatnih nanočestica (AuNPs) tunable veličina od 20 do 50 nm. Sonosynthesis via sodium citrate reduction produces monodisperse spherical gold nanoparticles in aqueous solution under atmospheric conditions.

Metod Turkevič-Frens pomoću ultrazvuka

Modifikacija gore opisanog puta reakcije je metod Turkevič-Frens, koji je jednostavan proces u više koraka za sintezu zlatnih nanočestica. Ultrazvučnost promoviše putanju reakcije Turkevič-Frens na isti način kao i turkevička ruta. Početni korak Turkevič-Frensa u više koraka, gde se reakcije dešavaju u serijama i paralelno, jeste oksidacija citrata koja daje dikarboksi aceton. Zatim, auric so se svodi na aurous so i Au⁰, a aurous so se sastavlja na Au⁰ atome za formiranje AuNP -a (pogledajte šemu ispod).

Zlatna nanočecijska sinteza putem Turkevich metode.
scheme and study: ©Zhao et al., 2013

To znači da dikarboksi aceton koji je rezultat oksidacije citrata, a ne samog citrata, deluje kao stvarni AuNP stabilizator u reakciji Turkevič-Frensa. Citratna so dodatno modifikuje pH sistema, što utiče na veličinu i veličinu distribucije zlatnih nanočestica (AuNPs). Ovi uslovi reakcije Turkevič-Frensa proizvode skoro monodisperse zlatne nanočestice veličine čestica između 20 i 40nm. Tačna veličina čestica se može modifikovati na osnovu varijacije pH rastvora kao i ultrazvučnih parametara. Citratno stabilizovani AuNPs su uvek veći od 10 nm, zbog ograničenog smanjenja sposobnosti trisodijum citratne dihidrata. Međutim, koristeći D₂O kao rastvarač umesto H₂O tokom sinteze AuNPs-a omogućava sintetizaciju AuNP-a sa veličinom čestica od 5 nm. Kao dodatak D₂O povećati smanjenje jačine citrata, kombinacija D₂O i C₆Х₉Na₃O₉. (cf. Zhao et al., 2013)

Protokol za sonohemijsku rutu Turkevich-Frens

U cilju sintetizacije zlatnih nanočestica u donjem postupku putem Turkevich-Frens metode, 50mL hloroaurične kiseline (HAuCl₄), 0,025 mM se sipa u stakleni beaker od 100 mL, u koji je 1 mL od 1,5% (w/v) aqueous rastvora trisodium citrata (Na₃Ct) se dodaje pod ultrazvučno na sobnoj temperaturi. Ultrazvuka je izvedena na 60W, 150W i 210W. The Na₃Ct/HAuCl₄ odnos koji se koristi u uzorcima je 3:1 (w/v). Nakon ultrazvučnosti, koloidna rešenja su pokazala različite boje, ljubičastu za 60 W i rubin-crvenu za 150 i 210 W uzoraka. Manje veličine i više sfernih klastera zlatnih nanočestica proizvedeni su povećanjem soničarske moći, sa strukturnom karakterizacijom. Fuentes-García et al. (2021) pokazuju u svojim istragama snažan uticaj povećanja sonikacije na veličinu čestica, polihedralnu strukturu i optička svojstva sonohemijski sintetizovanih zlatnih nanočestica i reakcije kinetike za njihovo formiranje. I zlatne nanočestice veličine 16nm i 12nm mogu se proizvesti skrojenim sonohemijskim postupkom. (Fuentes-García et al., 2021)

(a,b) TEM image and (c) size distribution of sonochemically synthesized gold nanoparticles (AuNPs)
Slika i studija: © Dheyab et al., 2020.

Sonoliza zlatnih nanočestica

Druga metoda za eksperimentalnu generaciju čestica zlata je sonoliza, gde se ultrazvuk primenjuje za sintezu zlatnih čestica prečnika ispod 10 nm. U zavisnosti od reagensa, sonolitička reakcija se može pokrenuti na razne načine. Na primer, soniranje aqueous rešenja HAuCl-a₄ sa glukozom, hidroksil radikalima i radikalima šećerne pirolize deluju kao smanjujući agensi. Ovi radikali se formiraju u međufacijalnoj regiji između urušenih šupljina nastalih intenzivnim ultrazvukom i masovnom vodom. Morfologija zlatnih nanostruktura su nanoribboni širine 30–50 nm i dužine nekoliko mikrometara. Ove trake su veoma fleksibilne i mogu se savijati uglovima većim od 90°. Kada se glukoza zameni ciklodekstrionom, glukoznim oligomerom, dobijaju se samo sferne čestice zlata, što sugeriše da je glukoza od suštinskog značaja u usmeravanju morfologije ka traci.

Primeran protokol za sonohemijsku nano-zlatnu sintezu

Preteča materijala koji se koriste za sintezu CITRAT-obloženih AuNP-ovima uključuju HAuCl₄, natrijum citrat i destilovana voda. U cilju pripreme uzorka, prvi korak je podrazumevao raspuštanje HAuCl-a₄ u destilovanu vodu sa koncentracijom od 0,03 M. Naknadno rešenje HAuCl-a₄ (2 mL) je dodat dropwise na 20 mL aqueous 0.03 M rastvora natrijum citrata. Tokom faze mešanja, ultrazvučna sonda visoke gustine (20 kHz) sa ultrazvučnim rogom ubačena je u rastvor za 5 min na zvučnoj snazi od 17,9 W·cm²
(cf. Dhabey at al. 2020)

Gold Nanobelt Synthesis using Sonication

Single cristalline nanobelts (see TEM image left) can be synthesized via sonication of an aqueous solution of HAuCl₄ u prisustvu α-D-Glukoze kao reagensa. Soniohemijski sintetizovani zlatni nanobelti pokazuju prosečnu širinu od 30 do 50 nm i nekoliko mikrometara dužine. Ultrazvučna reakcija za proizvodnju zlatnih nanobelta je jednostavna, brza i izbegava upotrebu otrovnih supstanci. (cf. Zhang et al, 2006)

Surfactants to Influence Sonochemical Synthesis of Gold NPs

Primena intenzivnog ultrazvuka na hemijske reakcije inicira i promoviše konverziju i prinose. U cilju dobijanja ujednačene veličine čestica i određenih ciljanih oblika / morfologija, izbor surfaktanata je kritičan faktor. Dodatak alkohola takođe pomaže u kontroli oblika i veličine čestica. Na primer, u prisustvu a-d-glukoze, glavne reakcije u procesu sonolize aqueous HAuCl₄ kao što je prikazano u sledećim jednačinama (1-4):
(1) H₂ O —> H∙ + OH∙
(2) šećer —> piroliza radikala
(3) AIII + smanjenje radikala —> Au⁰
(4) nAu⁰ —> AuNP (nanobelts)
(cf. Zhao et al., 2014)

Moć ultrazvučnih tipa sonde

Ultrazvučne sonotrode ili sonotrodi (koji se nazivaju i ultrazvučni rogovi) isporučuju ultrazvuk visokog intenziteta i akustičnu kavitaciju u veoma fokusiranom obliku u hemijska rešenja. Ovaj precizno kontrolišući i efikasan prenos power ultrazvuka omogućava pouzdane, precizno kontrolne i reproduktivne uslove, gde se mogu pokrenuti, intenzivirati i prebaciti putevi hemijske reakcije. Nasuprot tome, ultrazvučna kupka (poznata i kao ultrazvučni čistač ili rezervoar) isporučuje ultrazvuk sa veoma niskom gustinom snage i nasumično javljanje mesta za kavitaciju u veliku zapreminu tečnosti. Ovo čini ultrazvučne kupke nepouzdanim za bilo kakve sonohemijske reakcije.
"Ultrazvučne kupke za čišćenje imaju gustinu snage koja odgovara malom procentu koji generiše ultrazvučni rog. Upotreba kupki za čišćenje u sonohemiji je ograničena, imajući u vidu da se ne stiže uvek do potpuno homogene veličine čestica i morfologije. To je posledica fizičkih efekata ultrazvuka tokom nuklearki i procesa rasta." (González-Mendoza et al. 2015)

Ultrazvučnici visokih performansi za sintezu zlatnih nanočestica

Hielscher Ultrasonics snabdeva moćne i pouzdane ultrazvučne procesore za sonohemijsku sintezu (sono-sintezu) nanočestica kao što su zlato i druge plemenite metalne nanostrukture. Ultrazvučna agitacija i disperzija povećavaju masovni prenos u heterogenim sistemima i promovišu mokrenje i naknadno jezgro atomskih klastera u cilju ubrzanja nano-čestica. Ultrazvučna sinteza nano-čestica je jednostavna, isplativa, bio kompatibilna, reproduktivna, brza i bezbedna metoda.
Hielscher Ultrasonics snabdeva moćne i precizno kontrolne ultrazvučne procesore za formiranje struktura nano veličine kao što su nanosheres, nanorods, nanobelts, nano-ribbons, nanoclusters, core-shell čestice itd.
Naši korisnici cene pametne funkcije Hielscher digitalnih uređaja, koji su opremljeni inteligentnim softverom, obojenim ekranom osetljivim na dodir, automatskim protokolanjem podataka na ugrađenoj SD-kartici i sadrže intuitivni meni za korisnički prilagođen i bezbedan rad.
Pokrivajući kompletan raspon energije od 50 vati ručnih ultrazvučnih za laboratoriju do 16.000 vati moćnih industrijskih ultrazvučnih sistema, Hielscher ima idealno ultrazvučno podešavanje za vašu aplikaciju. Sonohemijska oprema za grupnu i kontinuiranu umetnutu proizvodnju u protočnim reaktorima je dostupna u svakoj vrhunskoj i industrijskoj veličini klupe. Robustnost Hielscherove ultrazvučne opreme omogućava non-stop rad na teškim dužnostima i u zahtevnim okruženjima.

Табела испод показује приближни капацитет обраде наших ултразвучних уређаја: