Синтез наносрібла за допомогою меду та ультразвуку

Наносрібло використовують завдяки його антибактеріальним властивостям для поліпшення характеристик матеріалів у медицині та матеріалознавстві. Ультразвукова обробка дає змогу швидко, ефективно, безпечно та екологічно синтезувати сферичні наночастинки срібла у воді. Ультразвуковий синтез наночастинок можна легко масштабувати від малого до великого виробництва.

Синтез колоїдного наносрібла за сприяння ультразвуку

Сонохімічний синтез, тобто хімічні реакції, яким сприяє ультразвукове опромінення, є широко застосовуваним методом одержання наночастинок. До них належать наночастинки срібла, золота, магнетиту, гідроксиапатиту, перовськіту, латексу та багатьох інших наноматеріалів.

Ультразвуковий синтез методами мокрої хімії

Для одержання наночастинок срібла розроблено численні способи синтезу за сприяння ультразвуку. В одному з примітних методів мед використовують одночасно як відновник і стабілізатор поверхні. Компоненти меду, зокрема глюкоза та фруктоза, синергічно виконують ці функції під час синтезу.
Як і багато інших методів синтезу наночастинок, ультразвуковий синтез наносрібла належить до методів мокрої хімії. Процес починається із зародкоутворення наночастинок срібла в розчині. Під час ультразвукової обробки прекурсор срібла (наприклад, нітрат срібла (AgNO₃) або перхлорат срібла (AgClO₄)) відновлюється в присутності відновника, наприклад меду, з утворенням колоїдного срібла.

Механізм зародкоутворення та росту срібла під дією ультразвуку

Початкова фаза зародкоутворення: Зі збільшенням концентрації розчинених іонів срібла іони металічного срібла починають зв’язуватися, утворюючи невеликі кластери. На цьому етапі ці кластери енергетично нестабільні через від’ємний енергетичний баланс. Енергія, необхідна для утворення нових поверхонь, перевищує енергію, що вивільняється внаслідок зниження концентрації розчиненого срібла.

• Критичний радіус: Коли кластер досягає певного розміру (критичного радіуса), процес стає енергетично вигідним, що стабілізує кластер. Ця стабільність дає кластеру змогу слугувати зародком для подальшого росту.
• Фаза росту: Під час росту додаткові атоми срібла дифундують крізь розчин і приєднуються до поверхні наночастинки, що росте. Ріст триває, доки концентрація розчиненого срібла не знизиться нижче порога зародкоутворення, що припиняє утворення нових зародків.
• Дифузія та завершення: Решта розчиненого срібла включається до складу наявних наночастинок, завершуючи процес.

Ультразвукова обробка прискорює масоперенесення, зокрема процеси змочування та дифузії, що сприяє швидшому зародкоутворенню та контрольованому росту. Точне регулювання параметрів ультразвукової обробки, зокрема інтенсивності та тривалості, дає змогу тонко налаштовувати розмір, швидкість росту й форму наночастинок. Такий точний контроль забезпечує однорідні структури наночастинок, пристосовані до конкретних застосувань.

Синтез за сприяння ультразвуку вирізняється як ефективний, масштабований підхід зеленої хімії до одержання наносрібла з чітко визначеними властивостями, що забезпечує значні переваги для різноманітних застосувань у наукових дослідженнях і промисловості.

Натисніть тут, щоб дізнатися більше про інший екологічний метод ультразвукового синтезу наносрібла з використанням карагінану!

Ультразвукова обробка сприяє швидкому екологічному синтезу малих наночастинок срібла з вузьким розподілом за розмірами.

Приклад дослідження ультразвукового синтезу наносрібла

У дослідженні Oskuee та співавт. (2016) під назвою «Синтез наночастинок срібла на основі меду за допомогою ультразвуку та їхня антибактеріальна активність» розглянуто простий та екологічний метод синтезу наночастинок срібла (Ag-NPs) із використанням натурального меду одночасно як відновника та стабілізатора. Процес, що передбачає відновлення нітрату срібла (AgNO₃) під дією ультразвукового опромінення, характеризується різними параметрами, зокрема концентрацією іонів срібла, концентрацією меду та тривалістю ультразвукової обробки. Отримані Ag-NPs мають середній розмір близько 11,8 nm і виявляють антибактеріальні властивості щодо таких патогенних бактерій, як Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa та E. coli.
У дослідженні висвітлено переваги використання меду в синтезі наночастинок, зокрема його екологічність, низьку вартість і нетоксичність. Автори демонструють, що розмір і вихід Ag-NPs можна контролювати, регулюючи такі параметри реакції, як концентрація срібла, вміст меду та тривалість ультразвукової обробки. Було показано, що синтезовані Ag-NPs мають ефективну антибактеріальну активність, особливо проти E. coli та S. aureus, із мінімальними інгібувальними концентраціями (MIC) приблизно 19,46 ppm. Цей метод відкриває потенційні можливості застосування Ag-NPs у медицині, зокрема для загоєння ран і контролю інфекцій.

• Матеріали: нітрат срібла (AgNO₃) як прекурсор срібла; мед як агент поверхневої стабілізації / відновник; вода
• Ультразвуковий пристрій: Ультразвуковий гомогенізатор зондового типу UP400St

Протокол ультразвукового синтезу

Було встановлено такі найкращі умови синтезу колоїдних наночастинок срібла: відновлення нітрату срібла під дією ультразвуку за участю натурального меду. Коротко, 20 ml розчину нітрату срібла (0,3 M), що містив мед (20 wt%), піддавали високоінтенсивному ультразвуковому опроміненню за умов навколишнього середовища протягом 30 min. Ультразвукову обробку проводили за допомогою ультразвукового гомогенізатора зондового типу UP400S (400W, 24 kHz), зонд якого занурювали безпосередньо в реакційний розчин.
Мед харчової якості використовують як агент покриття / стабілізації та відновник, завдяки чому водний розчин для зародкоутворення й осаджені наночастинки є чистими та безпечними для різноманітних застосувань.
Зі збільшенням тривалості ультразвукової обробки наночастинки срібла стають меншими, а їхня концентрація зростає.
У водному розчині меду ультразвукова обробка є ключовим чинником, що впливає на утворення наночастинок срібла. Такі параметри ультразвукової обробки, як амплітуда, тривалість і безперервний або імпульсний режим ультразвуку, є основними чинниками, що дають змогу контролювати розмір і кількість наночастинок срібла.

Розподіл Ag-NPs за розміром, синтезованих за оптимальних умов; концентрації срібла (0,3 M), концентрації меду (20 wt%) і тривалість ультразвукового опромінення (30 min)
джерело зображення: ©Oskuee et al. 2016

Результат ультразвукового синтезу наночастинок срібла

У результаті синтезу за участю меду, інтенсифікованого ультразвуком за допомогою ультразвукового гомогенізатора UP400St, було отримано сферичні наночастинки срібла (Ag-NPs) із середнім розміром частинок близько 11,8nm. Ультразвуковий синтез наночастинок срібла є простим і швидким методом, що здійснюється в одній реакційній посудині. Використання води й меду як матеріалів робить реакцію економічно вигідною та винятково екологічною.
Представлену методику ультразвукового синтезу з використанням меду як відновника та агента поверхневої стабілізації можна поширити на інші благородні метали, такі як золото, паладій і мідь, що відкриває різноманітні додаткові можливості застосування від медицини до промисловості.

Розподіл Ag-NPs за розміром, синтезованих за оптимальних умов; концентрації срібла (0,3 M), концентрації меду (20 wt%) і тривалість ультразвукового опромінення (30 min)
Дослідження та зображення: ©Oskuee et al. 2016

Вплив ультразвукової обробки на зародкоутворення та розмір частинок

Ультразвук дає змогу отримувати наночастинки, зокрема наночастинки срібла, із характеристиками, підібраними відповідно до вимог. Три основні варіанти ультразвукової обробки суттєво впливають на результат:
Початкова ультразвукова обробка: Короткочасний вплив ультразвукових хвиль на пересичений розчин може ініціювати зародкоутворення та формування центрів кристалізації. Оскільки ультразвукова обробка застосовується лише на початковому етапі, подальший ріст кристалів відбувається безперешкодно, що приводить до утворення більших кристалів.
Безперервна ультразвукова обробка: Безперервне опромінення пересиченого розчину приводить до утворення дрібних кристалів, оскільки ультразвукова обробка без пауз створює велику кількість зародків, унаслідок чого виростає багато дрібних кристалів.
Імпульсна ультразвукова обробка: Імпульсний ультразвук означає застосування ультразвуку через визначені інтервали. Точно контрольоване введення ультразвукової енергії дає змогу впливати на ріст кристалів для отримання кристалів заданого розміру.

Високопродуктивні ультразвукові пристрої для синтезу наночастинок

Hielscher Ultrasonics пропонує потужні, надійні ультразвукові процесори, розроблені для передових сонохімічних застосувань, зокрема соносинтезу та сонокаталізу. Ультразвукове змішування та диспергування значно посилюють масоперенесення, сприяють змочуванню атомних кластерів і полегшують їхнє подальше зародкоутворення, забезпечуючи ефективне осадження наночастинок. Ультразвуковий синтез визнано простим, економічно ефективним, біосумісним, відтворюваним, швидким і безпечним методом отримання високоякісних наноматеріалів. (Дізнайтеся більше про сонохімічний синтез перовськіту та наноструктур ZnO!)

Ультразвукові пристрої Hielscher розроблено для точного керування, що дає змогу забезпечувати оптимальні умови для зародкоутворення та росту наноматеріалів. Ці цифрові пристрої оснащено інтелектуальним програмним забезпеченням, кольоровим сенсорним дисплеєм та інтуїтивно зрозумілим меню для безпечної та зручної роботи. Крім того, вони автоматично записують дані на вбудовану SD-карту, забезпечуючи безперебійне документування процесу.

Завдяки широкому асортименту систем – від компактних ручних ультразвукових пристроїв потужністю 50 Вт для лабораторного використання до надійних промислових систем потужністю 16 000 Вт – Hielscher пропонує ідеальне ультразвукове рішення для кожного застосування. Довговічне ультразвукове обладнання Hielscher розраховане на безперервну роботу за високих навантажень, навіть у складних умовах експлуатації, забезпечуючи надійну роботу 24/7.
Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну продуктивність наших ультразвукових пристроїв:

Порівняння традиційних методів і методів зеленого синтезу наночастинок.