Oltin nanozarrachalarining samarali va boshqariladigan sintezi

Shakli va morfologiyasi bir xil boʻlgan oltin nanozarrachalarini sonokimyoviy yoʻl bilan samarali sintez qilish mumkin. Ultratovush yordamida jadallashtiriladigan oltin nanozarrachalari sintezining kimyoviy reaksiyasini zarracha oʻlchami, shakli (masalan, nanosferalar, nanotayoqchalar, nanolentalar va boshqalar) va morfologiyasi boʻyicha aniq boshqarish mumkin. Samarali, oddiy, tezkor va ekologik toza kimyoviy usul oltin nanotuzilmalarini sanoat miqyosida ishonchli ishlab chiqarish imkonini beradi.

Oltin nanozarrachalari va nanotuzilmalari

Nanooʻlchamli oltinning elektron, magnit va optik xususiyatlari, kvant oʻlcham effektlari, sirt plazmon rezonansi, yuqori katalitik faolligi, oʻz-oʻzidan yigʻilishi va boshqa noyob xususiyatlari tufayli oltin nanozarrachalari va nanooʻlchamli tuzilmalar ilmiy tadqiqotlar va ishlanmalarda hamda sanoat jarayonlarida keng qoʻllaniladi. Oltin nanozarrachalarining (Au-NPs) qoʻllanish sohalari katalizator sifatida foydalanishdan nanoelektron qurilmalarni ishlab chiqarishgacha, shuningdek, tasvirlash, nanofotonika, nanomagnetika, biosensorlar, kimyoviy sensorlar, optik va teranostik qoʻllanmalar, dori vositalarini yetkazib berish hamda boshqa maqsadlarni qamrab oladi.

Oltin nanozarrachalarini sintez qilish usullari

Nanotuzilmali oltin zarrachalarini yuqori samarali ultratovush bilan ishlov berish yordamida turli yoʻllar bilan sintez qilish mumkin. Ultratovush bilan ishlov berish oddiy, samarali va ishonchli usul boʻlish bilan birga, zaharli yoki kuchli taʼsir etuvchi kimyoviy reagentlarsiz oltin ionlarini kimyoviy qaytarish uchun sharoit yaratadi va turli morfologiyali asil metall nanozarrachalarini hosil qilish imkonini beradi. Yoʻlni va sonokimyoviy ishlovni (sonosintez deb ham ataladi) tanlash orqali oʻlchami va morfologiyasi bir xil boʻlgan oltin nanosferalari, nanotayoqchalari, nanolentalari va boshqa oltin nanotuzilmalarini ishlab chiqarish mumkin.
Quyida oltin nanozarrachalarini tayyorlash uchun tanlangan sonokimyoviy yoʻllar keltirilgan.

Ultratovush yordamida takomillashtirilgan Turkevich usuli

Ultratovush bilan ishlov berish Turkevichning sitrat bilan qaytarish reaksiyasini hamda oʻzgartirilgan Turkevich usullarini jadallashtirish uchun qoʻllaniladi.
Turkevich usuli diametri taxminan 10–20nm boʻlgan, oʻrtacha darajada monodispers sferik oltin nanozarrachalarini hosil qiladi. Yirikroq zarrachalar ham ishlab chiqarilishi mumkin, biroq bunda monodisperslik va shakl buziladi. Bu usulda issiq xloroaurat kislotaga natriy sitrat eritmasi bilan ishlov berilib, kolloid oltin hosil qilinadi. Turkevich reaksiyasi vaqtinchalik oltin nanosimlari hosil boʻlishi orqali kechadi. Reaksiya eritmasi yoqut-qizil rangga kirishidan oldin uning toʻq rangda koʻrinishiga aynan shu oltin nanosimlari sabab boʻladi.
Oltin nanozarrachalarini sonokimyoviy usulda sintez qilgan Fuentes-García et al. (2020) ultratovush bilan ishlov berishni yagona energiya manbai sifatida qoʻllash orqali yuqori yutilish oʻzaro taʼsiriga ega oltin nanozarrachalarini ishlab chiqarish, laboratoriya talablarini kamaytirish va oddiy parametrlarni oʻzgartirish orqali xususiyatlarni boshqarish mumkinligini qayd etadilar.
Lee et al. (2012) ultratovush energiyasi oʻlchamini 20 dan 50 nm gacha sozlash mumkin boʻlgan sferik oltin nanozarrachalarini (AuNPs) ishlab chiqarishda asosiy parametr ekanini koʻrsatdilar. Natriy sitrat bilan qaytarish orqali sonosintez atmosfera sharoitlarida suvli eritmada monodispers sferik oltin nanozarrachalarini hosil qiladi.

Ultratovush qoʻllaniladigan Turkevich-Frens usuli

Yuqorida tavsiflangan reaksiya yoʻlining oʻzgartirilgan shakli Turkevich-Frens usuli boʻlib, u oltin nanozarrachalarini sintez qilishning oddiy koʻp bosqichli jarayonidir. Ultratovush bilan ishlov berish Turkevich-Frens reaksiya yoʻlini Turkevich yoʻli kabi jadallashtiradi. Reaksiyalar ketma-ket va parallel kechadigan Turkevich-Frens koʻp bosqichli jarayonining dastlabki bosqichi dikarboksiatseton hosil qiladigan sitrat oksidlanishidir. Soʻngra oltin(III) tuzi oltin(I) tuzi va Au⁰gacha qaytariladi, oltin(I) tuzi esa Au⁰ atomlari ustida yigʻilib, AuNP hosil qiladi (quyidagi sxemaga qarang).
 

Turkevich usuli orqali oltin nanozarrachalari sintezi.
sxema va tadqiqot: ©Zhao et al., 2013

Bu Turkevich-Frens reaksiyasida AuNPning haqiqiy stabilizatori sifatida sitratning oʻzi emas, balki sitrat oksidlanishidan hosil boʻladigan dikarboksiatseton xizmat qilishini anglatadi. Sitrat tuzi tizimning pH qiymatini ham oʻzgartiradi, bu esa oltin nanozarrachalarining (AuNPs) oʻlchami va oʻlchamlar taqsimotiga taʼsir qiladi. Turkevich-Frens reaksiyasining ushbu sharoitlari zarracha oʻlchamlari 20 dan 40nm gacha boʻlgan deyarli monodispers oltin nanozarrachalarini hosil qiladi. Eritmaning pH qiymatini hamda ultratovush parametrlarini oʻzgartirish orqali zarrachaning aniq oʻlchamini oʻzgartirish mumkin. Trinatriy sitrat digidratning qaytarish qobiliyati cheklanganligi sababli sitrat bilan barqarorlashtirilgan AuNPs har doim 10 nm dan katta boʻladi. Biroq AuNPs sintezi davomida erituvchi sifatida D₂Odan H2O oʻrniga foydalanish zarracha oʻlchami 5 nm boʻlgan AuNPs sintez qilish imkonini beradi. D2O qoʻshilishi sitratning qaytarish kuchini oshirishi sababli, D2O va C₆H₉Na₃O₉ birikmasi. (cf. Zhao et al., 2013)

Sonokimyoviy Turkevich-Frens yoʻli uchun protokol

Turkevich-Frens usuli orqali oltin nanozarrachalarini kichik tarkibiy qismlardan yigʻish tartibida sintez qilish uchun 50mL hajmdagi xloroaurat kislota (HAuCl₄) 0,025 mM konsentratsiyada 100 mL hajmli shisha stakanga quyiladi va unga 1 mL hajmdagi 1,5% (w/v) konsentratsiyali trinatriy sitrat (Na₃Ct) suvli eritmasi xona haroratida ultratovush bilan ishlov berish davomida qoʻshiladi. Ultratovush bilan ishlov berish 60W, 150W va 210W quvvatlarda amalga oshirildi. Namunalarda qoʻllanilgan Na₃Ct/HAuCl₄ nisbati 3:1 (w/v) ga teng. Ultratovush bilan ishlov berilgandan soʻng kolloid eritmalar turli ranglarga ega boʻldi: 60 W namunasi binafsha, 150 va 210 W namunalari esa yoqut-qizil rangga kirdi. Strukturaviy tavsiflash natijalariga koʻra, ultratovush bilan ishlov berish quvvatini oshirish orqali oltin nanozarrachalarining kichikroq va sferikroq klasterlari hosil qilindi. Fuentes-García et al. (2021) oʻz tadqiqotlarida ultratovush bilan ishlov berishni kuchaytirish sonokimyoviy usulda sintez qilingan oltin nanozarrachalarining oʻlchami, koʻpyoqli tuzilishi va optik xususiyatlariga hamda ularning hosil boʻlish reaksiya kinetikasiga kuchli taʼsir qilishini koʻrsatadilar. Moslashtirilgan sonokimyoviy usul bilan oʻlchami 16nm boʻlgan ham, 12nm boʻlgan ham oltin nanozarrachalarini ishlab chiqarish mumkin. (Fuentes-García et al., 2021)
 

(a,b) TEM tasviri (50 nm masshtab) va (c) ultratovush bilan ishlov berish quvvati
17,9 Wcm2 boʻlganda sintez qilingan AuNPs oʻlchamlarining taqsimoti.
Rasm va tadqiqot: © Dheyab et al., 2020.

Oltin nanozarrachalarining sonolizi

Oltin zarrachalarini tajriba sharoitida hosil qilishning yana bir usuli sonoliz boʻlib, bunda diametri 10 nm dan kichik boʻlgan oltin zarrachalarini sintez qilish uchun ultratovush qoʻllaniladi. Reagentlarga qarab, sonolitik reaksiya turli tarzda oʻtkazilishi mumkin. Masalan, HAuCl₄ ning suvli eritmasiga glyukoza bilan birga ultratovush orqali ishlov berilganda, gidroksil radikallari va shakarning piroliz radikallari qaytaruvchi moddalar sifatida xizmat qiladi. Bu radikallar kuchli ultratovush hosil qilgan qulayotgan boʻshliqlar bilan suvning asosiy hajmi oʻrtasidagi fazalararo sohada hosil boʻladi. Oltin nanotuzilmalarining morfologiyasi eni 30–50 nm va uzunligi bir necha mikrometr boʻlgan nanotasmalar shaklidadir. Bu tasmalar juda egiluvchan boʻlib, 90° dan katta burchaklarda egilishi mumkin. Glyukoza uning oligomeri boʻlgan siklodekstrin bilan almashtirilganda faqat sferik oltin zarrachalari olinadi; bu glyukoza morfologiyani tasma shakliga yoʻnaltirishda muhim ekanini koʻrsatadi.

Nano-oltinning sonokimyoviy sintezi uchun namunaviy protokol

Sitrat bilan qoplangan AuNPs sintezi uchun qoʻllaniladigan boshlangʻich moddalar HAuCl4, natriy sitrat va distillangan suvni oʻz ichiga oladi. Namunani tayyorlash uchun birinchi bosqichda HAuCl4 distillangan suvda 0,03 M konsentratsiyada eritildi. Keyin HAuCl4 eritmasi (2 mL) 20 mL hajmdagi 0,03 M natriy sitrat suvli eritmasiga tomchilab qoʻshildi. Aralashtirish bosqichida ultratovush shoxi bilan jihozlangan yuqori zichlikdagi ultratovush zondi (20 kHz) eritmaga 5 min davomida kiritildi; bunda tovush quvvati 17,9 W·cm²
edi. (cf. Dhabey at al. 2020)

Ultratovush bilan ishlov berish orqali oltin nanolentalari sintezi

Monokristall nanolentalarni (chapdagi TEM tasviriga qarang) reagent sifatida α-D-glyukoza ishtirokida HAuCl4 ning suvli eritmasiga ultratovush bilan ishlov berish orqali sintez qilish mumkin. Sonokimyoviy usulda sintez qilingan oltin nanolentalarining oʻrtacha eni 30 dan 50 nm gacha, uzunligi esa bir necha mikrometr boʻladi. Oltin nanolentalarini ishlab chiqarish uchun ultratovushli reaksiya oddiy, tezkor boʻlib, zaharli moddalardan foydalanishga yoʻl qoʻymaydi. (cf. Zhang et al, 2006)

Oltin nanozarrachalarining sonokimyoviy sinteziga taʼsir qiluvchi sirt-faol moddalar

Kimyoviy reaksiyalarga kuchli ultratovush qoʻllash konversiyani boshlaydi va jadallashtiradi hamda mahsulot chiqishini oshiradi. Zarracha oʻlchamining bir xilligiga va muayyan maqsadli shakllar / morfologiyalarga erishishda sirt-faol moddalarni tanlash hal qiluvchi omildir. Spirtlar qoʻshilishi ham zarracha shakli va oʻlchamini boshqarishga yordam beradi. Masalan, a-d-glyukoza ishtirokida HAuCl₄ ning suvli eritmasi sonolizi jarayonidagi asosiy reaksiyalar quyidagi tenglamalarda (1-4) koʻrsatilgan:
(1) H₂ O –> H∙ + OH∙
(2) shakar –> piroliz radikallari
(3) AIII + qaytaruvchi radikallar –> Au⁰
(4) nAu⁰ –> AuNP (nanolentalar)
(cf. Zhao et al., 2014)

Zond tipidagi ultratovush qurilmalarining qudrati


Ultratovush zondlari yoki sonotrodlar (ultratovush shoxlari deb ham ataladi) kimyoviy eritmalarga yuqori intensivlikdagi ultratovush va akustik kavitatsiyani juda yoʻnaltirilgan shaklda yetkazadi. Quvvatli ultratovushning ushbu aniq boshqariladigan va samarali uzatilishi kimyoviy reaksiya yoʻllarini boshlash, jadallashtirish va almashtirish mumkin boʻlgan ishonchli, aniq boshqariladigan va takror hosil qilinadigan sharoitlarni yaratadi. Aksincha, ultratovush vannasi (ultratovushli tozalagich yoki bak deb ham ataladi) katta suyuqlik hajmiga juda past quvvat zichligidagi ultratovushni va tasodifiy paydo boʻladigan kavitatsiya oʻchoqlarini yetkazadi. Bu ultratovush vannalarini har qanday sonokimyoviy reaksiya uchun ishonchsiz qiladi.
«Ultratovushli tozalash vannalarining quvvat zichligi ultratovush shoxi hosil qiladigan quvvat zichligining kichik foiziga teng. Zarracha oʻlchami va morfologiyasining toʻliq bir xilligiga har doim ham erishilmasligini hisobga olganda, sonokimyoda tozalash vannalaridan foydalanish cheklangan. Bunga ultratovushning yadrolanish va oʻsish jarayonlariga fizik taʼsiri sabab boʻladi.» (González-Mendoza et al. 2015)

Oltin nanozarrachalari sintezi uchun yuqori samarali ultratovush qurilmalari

Hielscher Ultrasonics oltin va boshqa asil metall nanotuzilmalari kabi nanozarrachalarning sonokimyoviy sintezi (sonosintezi) uchun kuchli va ishonchli ultratovush protsessorlarini yetkazib beradi. Ultratovush yordamida aralashtirish va dispersiyalash geterogen tizimlarda massa almashinuvini oshiradi hamda nanozarrachalarni choʻktirish uchun atom klasterlarining namlanishi va keyingi yadrolanishini jadallashtiradi. Nanozarrachalarning ultratovushli sintezi oddiy, tejamkor, biologik mos, takror hosil qilinadigan, tezkor va xavfsiz usuldir.
Hielscher Ultrasonics nanosferalar, nanotayoqchalar, nanolentalar, nanotasmalar, nanoklasterlar, yadro-qobiq zarrachalari va boshqa nanooʻlchamli tuzilmalarni hosil qilish uchun kuchli va aniq boshqariladigan ultratovush protsessorlarini yetkazib beradi.
Brokkoli vositasida oltin nanozarrachalarining ultratovushli sintezi va ulardan biogen dori vositalari sifatida foydalanish haqida koʻproq oʻqing!
Magnit nanozarrachalarning ultratovushli sintezi haqida koʻproq oʻqing!
Mijozlarimiz Hielscher raqamli qurilmalarining aqlli funksiyalarini qadrlaydilar. Bu qurilmalar aqlli dasturiy taʼminot, rangli sensorli displey, oʻrnatilgan SD-kartaga maʼlumotlarni avtomatik qayd etish funksiyasi hamda qulay va xavfsiz ishlash uchun intuitiv menyu bilan jihozlangan.
Laboratoriya uchun 50 watts quvvatli qoʻlda ushlanadigan ultratovush qurilmalaridan tortib, 16 000 watts gacha quvvatli kuchli sanoat ultratovush tizimlarigacha boʻlgan toʻliq quvvat diapazonini qamrab oladigan Hielscher sizning qoʻllanmangiz uchun ideal ultratovush qurilmasiga ega. Oqib oʻtuvchi reaktorlarda davriy va oqim liniyasidagi uzluksiz ishlab chiqarish uchun sonokimyoviy uskunalar stol usti va sanoat oʻlchamlarining har qandayida tayyor holda mavjud. Hielscher ultratovush qurilmalarining mustahkamligi katta yuklama ostida va talabchan sharoitlarda 24/7 ishlash imkonini beradi.

Quyidagi jadval ultratovush qurilmalarimizning taxminiy ishlov berish quvvati haqida tasavvur beradi: