Синтеза наносребра помоћу меда и ултразвука

Наносребро се користи због својих антибактеријских својстава за ојачавање материјала у медицини и науци о материјалима. Ултразвучна обрада омогућава брзу, ефикасну, безбедну и еколошки прихватљиву синтезу сферних наночестица сребра у води. Ултразвучна синтеза наночестица може се лако скалирати од мале до велике производње.

Синтеза колоидног наносребра потпомогнута ултразвуком

Сонохемијска синтеза, која се односи на хемијске реакције олакшане ултразвучним озрачивањем, широко је примењена метода за производњу наночестица. Оне обухватају сребро, злато, магнетит, хидроксиапатит, перовскит, латекс и многе друге наноматеријале.

Ултразвучна мокра хемијска синтеза

За производњу наночестица сребра развијено је више поступака синтезе потпомогнуте ултразвуком. Једна значајна метода користи мед и као редукционо средство и као средство за облагање. Компоненте меда, попут глукозе и фруктозе, синергијски делују у овим улогама током процеса синтезе.
Слично многим техникама синтезе наночестица, ултразвучна синтеза наносребра спада у категорију мокре хемије. Процес почиње нуклеацијом наночестица сребра у раствору. Током соникације, прекурсор сребра (нпр. сребро-нитрат (AgNO₃), или сребро-перхлорат (AgClO₄НУЛА

Механизам ултразвучне нуклеације и раста сребра

Почетна фаза нуклеације: Како концентрација растворених јона сребра расте, јони металног сребра почињу да се повезују и формирају мале кластере. У овој фази, ови кластери су енергетски нестабилни због негативног енергетског биланса. Енергија потребна за стварање нових површина премашује енергију добијену смањењем концентрације раствореног сребра.

• Критични полупречник: Када кластер достигне одређену величину (критични полупречник), процес постаје енергетски повољан, чиме се кластер стабилизује. Ова стабилност омогућава кластеру да делује као језгро за даљи раст.
• Фаза раста: Током раста, додатни атоми сребра дифундују кроз раствор и везују се за површину растуће наночестице. Раст се наставља све док концентрација раствореног сребра не падне испод прага нуклеације, чиме се зауставља формирање нових језгара.
• Дифузија и завршетак: Преостало растворено сребро уграђује се у постојеће наночестице, чиме се процес завршава.

Соникација убрзава пренос масе, посебно процесе квашења и дифузије, што доводи до брже нуклеације и контролисаног раста. Прецизним подешавањем параметара соникације, попут интензитета и трајања, могу се фино подесити величина, брзина раста и облик наночестица. Ова прецизна контрола обезбеђује уједначене структуре наночестица прилагођене специфичним применама.

Синтеза потпомогнута ултразвуком издваја се као ефикасан и скалабилан приступ зелене хемије за производњу наносребра са јасно дефинисаним својствима, који нуди значајне предности за разноврсне примене у истраживању и индустрији.

Кликните овде да прочитате више о још једној зеленој методи ултразвучне синтезе наносребра помоћу карагенана!

Соникација олакшава брзу, зелену синтезу малих наночестица сребра са уском расподелом величина.

Студија случаја ултразвучне синтезе наносребра

Студија под насловом „Синтеза наночестица сребра на бази меда уз помоћ ултразвука и њихова антибактеријска активност“, коју су објавили Oskuee и сарадници (2016), истражује једноставан и еколошки прихватљив метод синтезе наночестица сребра (Ag-NPs) коришћењем природног меда као редукционог и стабилизујућег средства. Процес, који обухвата редукцију сребро-нитрата (AgNO₃) под ултразвучним зрачењем, карактеришу различити параметри, укључујући концентрацију јона сребра, концентрацију меда и време соникације. Добијене Ag-NPs имају просечну величину од око 11,8 nm и показују антибактеријска својства против патогених бактерија као што су Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa и E. coli.
Студија истиче предности употребе меда у синтези наночестица, наглашавајући његову еколошку прихватљивост, ниску цену и нетоксичност. Аутори показују да се величина и принос Ag-NPs могу контролисати подешавањем реакционих параметара као што су концентрација сребра, садржај меда и трајање соникације. Показано је да синтетисане Ag-NPs имају ефикасну антибактеријску активност, нарочито против E. coli и S. aureus, уз минималне инхибиторне концентрације (MIC) од приближно 19,46 ppm. Ова метода указује на потенцијалну примену Ag-NPs у медицинским областима, укључујући зарастање рана и контролу инфекција.

• Материјали: сребро-нитрат (AgNO₃) као прекурсор сребра; мед као средство за површинску стабилизацију / редукцију; вода
• Ултразвучни уређај: Соникатор са сондом UP400St

Протокол ултразвучне синтезе

Утврђено је да су најбољи услови за синтезу колоидних наночестица сребра следећи: редукција сребро-нитрата уз ултразвучну обраду посредством природног меда. Укратко, 20 ml раствора сребро-нитрата (0,3 M) који садржи мед (20 wt%) изложено је ултразвучном зрачењу високог интензитета у амбијенталним условима током 30 min. Ултразвучна обрада спроведена је ултразвучним уређајем са сондом UP400S (400W, 24 kHz), уроњеном директно у реакциони раствор.
Мед прехрамбеног квалитета користи се као средство за површинску стабилизацију / стабилизацију и редукцију, чиме водени раствор за нуклеацију и исталожене наночестице постају чисти и безбедни за разноврсне примене.
Са повећањем времена ултразвучне обраде, наночестице сребра постају мање, а њихова концентрација се повећава.
У воденом раствору меда, ултразвучна обрада је кључни фактор који утиче на формирање наночестица сребра. Параметри соникације као што су амплитуда, време и континуирани наспрам пулсног ултразвука представљају главне факторе који омогућавају контролу величине и количине наночестица сребра.

Расподела величина честица Ag-NPs синтетисаних у оптималним условима; концентрације сребра (0,3 M), концентрације меда (20 wt%) и времена ултразвучног зрачења (30 min)
извор слике: ©Oskuee et al. 2016

Резултат ултразвучне синтезе наночестица сребра

Синтезом посредством меда, потпомогнутом ултразвуком помоћу соникатора UP400St, добијене су сферне наночестице сребра (Ag-NPs) са просечном величином честица од око 11,8nm. Ултразвучна синтеза наночестица сребра је једноставна и брза метода у једној реакционој посуди. Употреба воде и меда као материјала чини реакцију економичном и изузетно еколошки прихватљивом.
Представљена техника ултразвучне синтезе коришћењем меда као средства за редукцију и површинску стабилизацију може се проширити на друге племените метале, као што су злато, паладијум и бакар, што пружа различите додатне могућности примене, од медицине до индустрије.

Расподела величина честица Ag-NPs синтетисаних у оптималним условима; концентрације сребра (0,3 M), концентрације меда (20 wt%) и време ултразвучног зрачења (30 min)
Студија и слика: ©Oskuee et al. 2016

Утицај соникације на нуклеацију и величину честица

Ултразвук омогућава производњу наночестица, као што су наночестице сребра, прилагођених захтевима. Три општа начина соникације имају значајан утицај на добијени производ:
Почетна соникација: Краткотрајна примена ултразвучних таласа на презасићени раствор може покренути засејавање и формирање језгара. Пошто се соникација примењује само у почетној фази, накнадни раст кристала одвија се несметано, што доводи до настанка већих кристала.
Континуирана соникација: Континуирано излагање презасићеног раствора ултразвуку доводи до настанка малих кристала, јер ултразвучна обрада без пауза ствара велики број језгара, што доводи до раста многих малих кристала.
Пулсна соникација: Пулсни ултразвук подразумева примену ултразвука у одређеним интервалима. Прецизно контролисан унос ултразвучне енергије омогућава утицај на раст кристала ради добијања прилагођене величине кристала.

Ултрасоникатори високих перформанси за синтезу наночестица

Hielscher Ultrasonics нуди поуздане ултразвучне процесоре велике снаге, пројектоване за напредне сонохемијске примене, укључујући соносинтезу и сонокатализу. Ултразвучно мешање и дисперговање значајно побољшавају пренос масе, подстичу квашење кластера атома и олакшавају њихову накнадну нуклеацију, што доводи до ефикасног таложења наночестица. Ултразвучна синтеза је препозната као једноставна, исплатива, биокомпатибилна, поновљива, брза и безбедна метода за производњу висококвалитетних наноматеријала. (Прочитајте више о сонохемијској синтези перовскита и наноструктура ZnO!)

Hielscher ултрасоникатори су пројектовани за прецизну контролу, чиме се омогућавају оптимални услови за нуклеацију и раст наноматеријала. Ови дигитални уређаји имају интелигентни софтвер, екран у боји осетљив на додир и интуитиван мени за безбедно и једноставно руковање. Поред тога, имају функцију аутоматског бележења података на уграђену SD картицу, чиме се обезбеђује несметано документовање процеса.

Захваљујући свеобухватном асортиману система – од компактних ручних ултрасоникатора снаге 50 вати за лабораторијску употребу до робусних индустријских система снаге 16.000 вати – Hielscher пружа идеално ултразвучно решење за сваку примену. Пројектована за дуготрајност, Hielscher ултразвучна опрема је израђена за непрекидан рад под великим оптерећењем, чак и у захтевним окружењима, обезбеђујући поуздан рад 24/7.
Табела у наставку даје преглед приближног капацитета обраде наших ултрасоникатора:

Поређење конвенционалних метода и метода зелене синтезе наночестица.