การสังเคราะห์นาโนซิลเวอร์ด้วยน้ำผึ้งและอัลตราโซนิก

นาโนซิลเวอร์ถูกนำมาใช้เสริมคุณสมบัติของวัสดุในทางการแพทย์และวัสดุศาสตร์ด้วยสมบัติต้านแบคทีเรีย การใช้คลื่นอัลตราโซนิกช่วยให้สังเคราะห์อนุภาคนาโนเงินทรงกลมในน้ำได้อย่างรวดเร็ว มีประสิทธิผล ปลอดภัย และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม การสังเคราะห์อนุภาคนาโนด้วยอัลตราโซนิกสามารถขยายขนาดจากการผลิตขนาดเล็กไปสู่การผลิตขนาดใหญ่ได้อย่างง่ายดาย

การสังเคราะห์นาโนซิลเวอร์คอลลอยด์โดยใช้อัลตราโซนิกช่วย

การสังเคราะห์ทางโซโนเคมี ซึ่งหมายถึงปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นได้ง่ายขึ้นด้วยการฉายคลื่นอัลตราโซนิก เป็นวิธีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตอนุภาคนาโน ซึ่งรวมถึงเงิน ทองคำ แมกนีไทต์ ไฮดรอกซีอะพาไทต์, เพอรอฟสไกต์, ลาเท็กซ์ และวัสดุนาโนอื่น ๆ อีกมากมาย

การสังเคราะห์ทางเคมีแบบเปียกด้วยอัลตราโซนิก

มีการพัฒนาแนวทางการสังเคราะห์โดยใช้อัลตราโซนิกช่วยหลายแนวทางเพื่อผลิตอนุภาคนาโนเงิน วิธีที่โดดเด่นวิธีหนึ่งใช้น้ำผึ้งเป็นทั้งสารรีดิวซ์และสารเคลือบผิวอนุภาค องค์ประกอบในน้ำผึ้ง เช่น กลูโคสและฟรักโทส ทำหน้าที่เหล่านี้โดยเสริมฤทธิ์กันระหว่างกระบวนการสังเคราะห์
เช่นเดียวกับเทคนิคการสังเคราะห์อนุภาคนาโนหลายเทคนิค การสังเคราะห์นาโนซิลเวอร์ด้วยอัลตราโซนิกจัดอยู่ในกลุ่มเคมีแบบเปียก กระบวนการเริ่มต้นด้วยการเกิดนิวเคลียสของอนุภาคนาโนเงินภายในสารละลาย ระหว่างการใช้คลื่นอัลตราโซนิก สารตั้งต้นของเงิน (เช่น ซิลเวอร์ไนเตรต (AgNO₃) หรือซิลเวอร์เปอร์คลอเรต (AgClO₄)) จะถูกรีดิวซ์เมื่อมีสารรีดิวซ์ เช่น น้ำผึ้ง เพื่อผลิตเงินคอลลอยด์

กลไกการเกิดนิวเคลียสและการเติบโตของเงินด้วยอัลตราโซนิก

ระยะเริ่มต้นของการเกิดนิวเคลียส: เมื่อความเข้มข้นของไอออนเงินที่ละลายอยู่เพิ่มขึ้น ไอออนเงินโลหะจะเริ่มจับกันเป็นกลุ่มขนาดเล็ก ในระยะนี้ กลุ่มดังกล่าวไม่เสถียรในเชิงพลังงานเนื่องจากสมดุลพลังงานเป็นลบ พลังงานที่ต้องใช้ในการสร้างพื้นผิวใหม่สูงกว่าพลังงานที่ได้รับจากการลดความเข้มข้นของเงินที่ละลายอยู่

• รัศมีวิกฤต: เมื่อกลุ่มอนุภาคมีขนาดถึงค่าหนึ่ง (รัศมีวิกฤต) กระบวนการจะเอื้ออำนวยในเชิงพลังงาน ทำให้กลุ่มอนุภาคเสถียร ความเสถียรนี้ทำให้กลุ่มอนุภาคสามารถทำหน้าที่เป็นนิวเคลียสสำหรับการเติบโตต่อไปได้
• ระยะการเติบโต: ระหว่างการเติบโต อะตอมเงินเพิ่มเติมจะแพร่ผ่านสารละลายและเกาะบนพื้นผิวของอนุภาคนาโนที่กำลังเติบโต การเติบโตจะดำเนินต่อไปจนความเข้มข้นของเงินที่ละลายอยู่ลดลงต่ำกว่าเกณฑ์การเกิดนิวเคลียส ทำให้การเกิดนิวเคลียสใหม่หยุดลง
• การแพร่และการสิ้นสุดกระบวนการ: เงินที่ละลายอยู่ส่วนที่เหลือจะรวมเข้าเป็นส่วนหนึ่งของอนุภาคนาโนที่มีอยู่ ทำให้กระบวนการเสร็จสมบูรณ์

การใช้คลื่นอัลตราโซนิกเร่งการถ่ายเทมวล โดยเฉพาะกระบวนการเปียกและการแพร่ ซึ่งนำไปสู่การเกิดนิวเคลียสที่รวดเร็วขึ้นและการเติบโตที่ควบคุมได้ การปรับพารามิเตอร์ของการใช้คลื่นอัลตราโซนิกอย่างแม่นยำ เช่น ความเข้มและระยะเวลา ช่วยให้ปรับขนาด อัตราการเติบโต และรูปร่างของอนุภาคนาโนได้อย่างละเอียด การควบคุมที่แม่นยำนี้ทำให้ได้โครงสร้างอนุภาคนาโนที่สม่ำเสมอและปรับให้เหมาะกับการใช้งานเฉพาะด้าน

การสังเคราะห์โดยใช้อัลตราโซนิกช่วยโดดเด่นในฐานะแนวทางเคมีสีเขียวที่มีประสิทธิผลและขยายขนาดได้สำหรับการผลิตนาโนซิลเวอร์ที่มีคุณสมบัติชัดเจน โดยให้ข้อได้เปรียบอย่างมากสำหรับการใช้งานที่หลากหลายในงานวิจัยและอุตสาหกรรม

คลิกที่นี่เพื่ออ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับอีกวิธีหนึ่งที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมในการสังเคราะห์นาโนซิลเวอร์ด้วยอัลตราโซนิกโดยใช้คาราจีแนน!

การใช้คลื่นอัลตราโซนิกช่วยให้สังเคราะห์อนุภาคนาโนเงินขนาดเล็กที่มีการกระจายขนาดแคบได้อย่างรวดเร็วและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

กรณีศึกษาการสังเคราะห์นาโนซิลเวอร์ด้วยอัลตราโซนิก

การศึกษาเรื่อง “การสังเคราะห์อนุภาคนาโนเงินโดยใช้น้ำผึ้งและอัลตราโซนิกช่วย และฤทธิ์ต้านแบคทีเรียของอนุภาคดังกล่าว” โดย Oskuee และคณะ (2016) ศึกษาวิธีที่เรียบง่ายและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมในการสังเคราะห์อนุภาคนาโนเงิน (Ag-NPs) โดยใช้น้ำผึ้งธรรมชาติเป็นทั้งสารรีดิวซ์และสารทำให้เสถียร กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการรีดิวซ์ซิลเวอร์ไนเตรต (AgNO₃) ภายใต้การฉายคลื่นอัลตราโซนิก โดยมีพารามิเตอร์ต่าง ๆ เป็นตัวกำหนดลักษณะของกระบวนการ รวมถึงความเข้มข้นของไอออนเงิน ความเข้มข้นของน้ำผึ้ง และเวลาที่ใช้คลื่นอัลตราโซนิก Ag-NPs ที่ได้มีขนาดเฉลี่ยประมาณ 11.8 nm และแสดงสมบัติต้านแบคทีเรียต่อแบคทีเรียก่อโรค เช่น Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa และ E. coli
การศึกษานี้เน้นประโยชน์ของการใช้น้ำผึ้งในการสังเคราะห์อนุภาคนาโน โดยเน้นลักษณะที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม มีต้นทุนต่ำ และไม่เป็นพิษ ผู้วิจัยแสดงให้เห็นว่าสามารถควบคุมขนาดและผลได้ของ Ag-NPs โดยปรับพารามิเตอร์ของปฏิกิริยา เช่น ความเข้มข้นของเงิน ปริมาณน้ำผึ้ง และระยะเวลาที่ใช้คลื่นอัลตราโซนิก มีการแสดงให้เห็นว่า Ag-NPs ที่สังเคราะห์ได้มีฤทธิ์ต้านแบคทีเรียที่มีประสิทธิผล โดยเฉพาะต่อ E. coli และ S. aureus โดยมีค่าความเข้มข้นต่ำสุดที่ยับยั้งการเจริญ (MIC) ประมาณ 19.46 ppm วิธีนี้แสดงถึงศักยภาพในการประยุกต์ใช้ Ag-NPs ในทางการแพทย์ รวมถึงการสมานแผลและการควบคุมการติดเชื้อ

• วัสดุ: ซิลเวอร์ไนเตรต (AgNO₃) เป็นสารตั้งต้นของเงิน; น้ำผึ้งเป็นสารเคลือบผิวอนุภาค / สารรีดิวซ์; น้ำ
• อุปกรณ์อัลตราโซนิก: เครื่องอัลตราโซนิกชนิดโพรบ UP400St

ขั้นตอนการสังเคราะห์ด้วยอัลตราโซนิก

พบว่าสภาวะที่ดีที่สุดในการสังเคราะห์อนุภาคนาโนเงินคอลลอยด์มีดังนี้: การรีดิวซ์ซิลเวอร์ไนเตรตภายใต้การใช้คลื่นอัลตราโซนิกโดยมีน้ำผึ้งธรรมชาติเป็นตัวกลาง โดยสรุป สารละลายซิลเวอร์ไนเตรตปริมาตร 20 ml (0.3 M) ที่มีน้ำผึ้ง (20 wt%) ถูกฉายด้วยคลื่นอัลตราโซนิกความเข้มสูงภายใต้สภาวะแวดล้อมเป็นเวลา 30 min การใช้คลื่นอัลตราโซนิกดำเนินการด้วยเครื่องอัลตราโซนิกชนิดโพรบ UP400S (400W, 24 kHz) ซึ่งจุ่มลงในสารละลายปฏิกิริยาโดยตรง
น้ำผึ้งเกรดอาหารใช้เป็นสารเคลือบผิวอนุภาค / สารทำให้เสถียร และสารรีดิวซ์ ซึ่งทำให้สารละลายน้ำที่ใช้ในการเกิดนิวเคลียสและอนุภาคนาโนที่ตกตะกอนสะอาดและปลอดภัยสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย
เมื่อเวลาที่ใช้คลื่นอัลตราโซนิกเพิ่มขึ้น อนุภาคนาโนเงินจะมีขนาดเล็กลงและมีความเข้มข้นเพิ่มขึ้น
ในสารละลายน้ำผึ้งในน้ำ การใช้คลื่นอัลตราโซนิกเป็นปัจจัยสำคัญที่มีอิทธิพลต่อการเกิดอนุภาคนาโนเงิน พารามิเตอร์ของการใช้คลื่นอัลตราโซนิก เช่น แอมพลิจูด เวลา และการใช้คลื่นอัลตราโซนิกแบบต่อเนื่องเทียบกับแบบเป็นจังหวะ เป็นปัจจัยหลักที่ช่วยให้ควบคุมขนาดและปริมาณของอนุภาคนาโนเงินได้

การกระจายขนาดอนุภาคของ Ag-NPs ที่สังเคราะห์ภายใต้สภาวะที่เหมาะสมที่สุด; ความเข้มข้นของเงิน (0.3 M) ความเข้มข้นของน้ำผึ้ง (20 wt%) และระยะเวลาการฉายคลื่นอัลตราโซนิก (30 min)
แหล่งที่มาของภาพ: ©Oskuee และคณะ 2016

ผลการสังเคราะห์อนุภาคนาโนเงินด้วยอัลตราโซนิก

การสังเคราะห์ที่ส่งเสริมด้วยอัลตราโซนิกและมีน้ำผึ้งเป็นตัวกลางโดยใช้เครื่องอัลตราโซนิก UP400St ให้ผลเป็นอนุภาคนาโนเงินทรงกลม (Ag-NPs) ที่มีขนาดอนุภาคเฉลี่ยประมาณ 11.8nm การสังเคราะห์อนุภาคนาโนเงินด้วยอัลตราโซนิกเป็นวิธีแบบภาชนะเดียวที่เรียบง่ายและรวดเร็ว การใช้น้ำและน้ำผึ้งเป็นวัสดุทำให้ปฏิกิริยามีความคุ้มค่าด้านต้นทุนและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมอย่างยิ่ง
เทคนิคการสังเคราะห์ด้วยอัลตราโซนิกที่นำเสนอนี้ ซึ่งใช้น้ำผึ้งเป็นสารรีดิวซ์และสารเคลือบผิวอนุภาค สามารถขยายไปใช้กับโลหะมีตระกูลอื่น ๆ เช่น ทองคำ แพลเลเดียม และทองแดง ซึ่งเปิดโอกาสให้มีการใช้งานเพิ่มเติมหลากหลายด้านตั้งแต่การแพทย์จนถึงอุตสาหกรรม

การกระจายขนาดอนุภาคของ Ag-NPs ที่สังเคราะห์ภายใต้สภาวะที่เหมาะสมที่สุด; ความเข้มข้นของเงิน (0.3 M) ความเข้มข้นของน้ำผึ้ง (20 wt%) และระยะเวลาการฉายคลื่นอัลตราโซนิก (30 min)
การศึกษาและภาพ: ©Oskuee และคณะ 2016

การใช้อัลตราโซนิกเพื่อส่งผลต่อการเกิดนิวเคลียสและขนาดอนุภาค

คลื่นอัลตราโซนิกช่วยให้ผลิตอนุภาคนาโน เช่น อนุภาคนาโนเงิน ที่ปรับให้ตรงตามความต้องการได้ รูปแบบทั่วไปของการใช้คลื่นอัลตราโซนิกสามรูปแบบมีผลสำคัญต่อผลผลิต:
การใช้คลื่นอัลตราโซนิกในระยะเริ่มต้น: การใช้คลื่นอัลตราโซนิกกับสารละลายอิ่มตัวยิ่งยวดเป็นเวลาสั้น ๆ สามารถเริ่มการก่อเมล็ดผลึกและการเกิดนิวเคลียสได้ เนื่องจากใช้คลื่นอัลตราโซนิกเฉพาะในระยะเริ่มต้น การเติบโตของผลึกในระยะต่อมาจึงดำเนินไปโดยไม่มีสิ่งขัดขวาง ส่งผลให้ได้ผลึกขนาดใหญ่ขึ้น
การใช้คลื่นอัลตราโซนิกแบบต่อเนื่อง: การฉายคลื่นอย่างต่อเนื่องลงในสารละลายอิ่มตัวยิ่งยวดทำให้ได้ผลึกขนาดเล็ก เนื่องจากการใช้คลื่นอัลตราโซนิกโดยไม่หยุดพักสร้างนิวเคลียสจำนวนมาก ส่งผลให้เกิดการเติบโตของผลึกขนาดเล็กจำนวนมาก
การใช้คลื่นอัลตราโซนิกแบบพัลส์: คลื่นอัลตราโซนิกแบบพัลส์หมายถึงการใช้คลื่นอัลตราโซนิกเป็นช่วง ๆ ตามที่กำหนด การป้อนพลังงานอัลตราโซนิกที่ควบคุมอย่างแม่นยำช่วยให้ปรับการเติบโตของผลึกเพื่อให้ได้ขนาดผลึกตามต้องการ

เครื่องอัลตราโซนิกสมรรถนะสูงสำหรับการสังเคราะห์อนุภาคนาโน

Hielscher Ultrasonics นำเสนอเครื่องประมวลผลด้วยอัลตราโซนิกกำลังสูงที่เชื่อถือได้ ซึ่งออกแบบมาสำหรับการใช้งานทางโซโนเคมีขั้นสูง รวมถึงการสังเคราะห์และการเร่งปฏิกิริยาด้วยคลื่นอัลตราโซนิก การผสมและการกระจายตัวด้วยอัลตราโซนิกเพิ่มการถ่ายเทมวลอย่างมีนัยสำคัญ ส่งเสริมการเปียกของกลุ่มอะตอม และช่วยให้เกิดนิวเคลียสในระยะต่อมาได้ง่ายขึ้น ซึ่งนำไปสู่การตกตะกอนของอนุภาคนาโนอย่างมีประสิทธิภาพ การสังเคราะห์ด้วยอัลตราโซนิกได้รับการยอมรับว่าเป็นวิธีที่เรียบง่าย คุ้มค่าด้านต้นทุน เข้ากันได้ทางชีวภาพ ให้ผลซ้ำได้ รวดเร็ว และปลอดภัย สำหรับการผลิตวัสดุนาโนคุณภาพสูง (อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับการสังเคราะห์เพอรอฟสไกต์ทางโซโนเคมี และ โครงสร้างนาโน ZnO!)

เครื่องอัลตราโซนิกของ Hielscher ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมเพื่อการควบคุมที่แม่นยำ ทำให้เกิดสภาวะที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการเกิดนิวเคลียสและการเติบโตของวัสดุนาโน อุปกรณ์ดิจิทัลเหล่านี้มีซอฟต์แวร์อัจฉริยะ จอสัมผัสสี และเมนูที่เข้าใจง่าย เพื่อการใช้งานที่ปลอดภัยและสะดวกต่อผู้ใช้ นอกจากนี้ยังมีการบันทึกข้อมูลโดยอัตโนมัติลงในการ์ด SD ที่ติดตั้งในเครื่อง ทำให้จัดทำบันทึกกระบวนการได้อย่างต่อเนื่องราบรื่น

ด้วยระบบที่ครอบคลุมครบถ้วน – ตั้งแต่เครื่องอัลตราโซนิกแบบมือถือขนาดกะทัดรัดกำลัง 50 วัตต์สำหรับใช้ในห้องปฏิบัติการ ไปจนถึงระบบอุตสาหกรรมที่แข็งแกร่งกำลัง 16,000 วัตต์ – Hielscher จึงนำเสนอโซลูชันอัลตราโซนิกที่เหมาะอย่างยิ่งสำหรับทุกการใช้งาน อุปกรณ์อัลตราโซนิกของ Hielscher ออกแบบมาให้ทนทานและสร้างขึ้นเพื่อทำงานอย่างต่อเนื่องภายใต้สภาวะงานหนัก แม้ในสภาพแวดล้อมที่มีข้อกำหนดเข้มงวด โดยให้สมรรถนะที่เชื่อถือได้ตลอด 24/7
ตารางด้านล่างแสดงกำลังการประมวลผลโดยประมาณของเครื่องอัลตราโซนิกของเรา:

การเปรียบเทียบวิธีดั้งเดิมกับวิธีสังเคราะห์สีเขียวในการสังเคราะห์อนุภาคนาโน