Tổng hợp nano bạc bằng mật ong và siêu âm

Nano bạc được sử dụng nhờ đặc tính kháng khuẩn để tăng cường tính năng của vật liệu trong y học và khoa học vật liệu. Xử lý bằng siêu âm cho phép tổng hợp các hạt nano bạc hình cầu trong nước một cách nhanh chóng, hiệu quả, an toàn và thân thiện với môi trường. Quá trình tổng hợp hạt nano bằng siêu âm có thể dễ dàng mở rộng từ quy mô sản xuất nhỏ lên quy mô lớn.

Tổng hợp nano bạc dạng keo có hỗ trợ siêu âm

Tổng hợp hóa siêu âm, tức là các phản ứng hóa học được thúc đẩy bằng chiếu xạ siêu âm, là một phương pháp được ứng dụng rộng rãi để sản xuất hạt nano. Các hạt nano này bao gồm bạc, vàng, magnetit, hydroxyapatit, perovskit, latex và nhiều vật liệu nano khác.

Tổng hợp hóa học ướt bằng siêu âm

Nhiều quy trình tổng hợp có hỗ trợ siêu âm đã được phát triển để sản xuất hạt nano bạc. Một phương pháp đáng chú ý sử dụng mật ong vừa làm chất khử vừa làm chất bao phủ bề mặt. Các thành phần trong mật ong, như glucose và fructose, phối hợp hiệp đồng để thực hiện các vai trò này trong quá trình tổng hợp.
Tương tự nhiều kỹ thuật tổng hợp hạt nano, tổng hợp nano bạc bằng siêu âm thuộc lĩnh vực hóa học ướt. Quá trình bắt đầu bằng sự tạo mầm hạt nano bạc trong dung dịch. Trong quá trình xử lý bằng siêu âm, tiền chất bạc (ví dụ: bạc nitrat (AgNO₃), hoặc bạc peclorat (AgClO₄)) được khử khi có mặt chất khử, chẳng hạn như mật ong, để tạo ra bạc dạng keo.

Cơ chế tạo mầm và phát triển bạc bằng siêu âm

Giai đoạn tạo mầm ban đầu: Khi nồng độ ion bạc hòa tan tăng lên, các ion bạc kim loại bắt đầu liên kết để tạo thành các cụm nhỏ. Ở giai đoạn này, các cụm này không ổn định về mặt năng lượng do cân bằng năng lượng âm. Năng lượng cần thiết để tạo ra các bề mặt mới lớn hơn năng lượng thu được khi giảm nồng độ bạc hòa tan.

• Bán kính tới hạn: Khi một cụm đạt đến kích thước nhất định (bán kính tới hạn), quá trình trở nên thuận lợi về mặt năng lượng, giúp cụm ổn định. Sự ổn định này cho phép cụm đóng vai trò là mầm để tiếp tục phát triển.
• Giai đoạn phát triển: Trong quá trình phát triển, các nguyên tử bạc bổ sung khuếch tán qua dung dịch và gắn vào bề mặt hạt nano đang phát triển. Quá trình phát triển tiếp diễn cho đến khi nồng độ bạc hòa tan giảm xuống dưới ngưỡng tạo mầm, khiến sự hình thành các mầm mới dừng lại.
• Khuếch tán và hoàn tất: Lượng bạc hòa tan còn lại được tích hợp vào các hạt nano hiện có, hoàn tất quá trình.

Xử lý bằng siêu âm đẩy nhanh quá trình truyền khối, đặc biệt là các quá trình thấm ướt và khuếch tán, giúp tạo mầm nhanh hơn và kiểm soát sự phát triển. Bằng cách điều chỉnh chính xác các thông số xử lý siêu âm, như cường độ và thời gian, có thể tinh chỉnh kích thước, tốc độ phát triển và hình dạng của hạt nano. Khả năng kiểm soát chính xác này đảm bảo cấu trúc hạt nano đồng nhất, được điều chỉnh phù hợp với các ứng dụng cụ thể.

Tổng hợp có hỗ trợ siêu âm nổi bật là một phương pháp hóa học xanh hiệu quả, có khả năng mở rộng quy mô để sản xuất nano bạc với các đặc tính được xác định rõ, mang lại những lợi thế đáng kể cho nhiều ứng dụng trong nghiên cứu và công nghiệp.

Nhấp vào đây để đọc thêm về một phương pháp xanh khác nhằm tổng hợp nano bạc bằng siêu âm sử dụng carrageenan!

Xử lý bằng siêu âm tạo điều kiện tổng hợp xanh, nhanh chóng các hạt nano bạc nhỏ với phân bố kích thước hẹp.

Nghiên cứu điển hình về tổng hợp nano bạc bằng siêu âm

Nghiên cứu mang tên “Tổng hợp hạt nano bạc bằng mật ong với sự hỗ trợ của siêu âm và hoạt tính kháng khuẩn của chúng” của Oskuee và cộng sự (2016) khảo sát một phương pháp đơn giản và thân thiện với môi trường để tổng hợp hạt nano bạc (Ag-NPs), sử dụng mật ong tự nhiên làm cả chất khử và chất ổn định. Quá trình này bao gồm việc khử bạc nitrat (AgNO₃) dưới tác động chiếu xạ siêu âm và được đặc trưng bởi nhiều thông số, bao gồm nồng độ ion bạc, nồng độ mật ong và thời gian xử lý siêu âm. Các Ag-NPs thu được có kích thước trung bình khoảng 11,8 nm và thể hiện đặc tính kháng khuẩn đối với các vi khuẩn gây bệnh như Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa và E. coli.
Nghiên cứu nêu bật những lợi ích của việc sử dụng mật ong trong tổng hợp hạt nano, nhấn mạnh tính thân thiện với môi trường, chi phí thấp và tính không độc hại của mật ong. Các tác giả chứng minh rằng có thể kiểm soát kích thước và hiệu suất thu Ag-NPs bằng cách điều chỉnh các thông số phản ứng như nồng độ bạc, hàm lượng mật ong và thời gian xử lý siêu âm. Các Ag-NPs được tổng hợp đã được chứng minh là có hoạt tính kháng khuẩn hiệu quả, đặc biệt đối với E. coli và S. aureus, với nồng độ ức chế tối thiểu (MIC) khoảng 19,46 ppm. Phương pháp này cho thấy tiềm năng ứng dụng Ag-NPs trong các lĩnh vực y tế, bao gồm chữa lành vết thương và kiểm soát nhiễm trùng.

• Vật liệu: bạc nitrat (AgNO₃) làm tiền chất bạc; mật ong làm chất bao bề mặt / chất khử; nước
• Thiết bị siêu âm: Máy siêu âm dạng đầu dò UP400St

Quy trình tổng hợp bằng siêu âm

Các điều kiện tốt nhất để tổng hợp hạt nano bạc dạng keo được xác định như sau: Khử bạc nitrat bằng siêu âm với mật ong tự nhiên làm chất trung gian. Tóm tắt quy trình: 20 ml dung dịch bạc nitrat (0,3 M) chứa mật ong (20 wt%) được chiếu xạ siêu âm cường độ cao trong điều kiện môi trường xung quanh trong 30 min. Quá trình xử lý siêu âm được thực hiện bằng máy siêu âm dạng đầu dò UP400S (400W, 24 kHz), với đầu dò được nhúng trực tiếp vào dung dịch phản ứng.
Mật ong đạt tiêu chuẩn thực phẩm được sử dụng làm chất bao bề mặt / chất ổn định và chất khử, giúp dung dịch tạo mầm trong nước và các hạt nano kết tủa sạch và an toàn cho nhiều ứng dụng.
Khi thời gian xử lý siêu âm tăng, các hạt nano bạc trở nên nhỏ hơn và nồng độ của chúng tăng lên.
Trong dung dịch mật ong trong nước, xử lý siêu âm là yếu tố then chốt ảnh hưởng đến sự hình thành các hạt nano bạc. Các thông số xử lý siêu âm như biên độ, thời gian và chế độ siêu âm liên tục hay dạng xung là những yếu tố chính cho phép kiểm soát kích thước và số lượng hạt nano bạc.

Phân bố kích thước hạt của Ag-NPs được tổng hợp trong điều kiện tối ưu; nồng độ bạc (0,3 M), nồng độ mật ong (20 wt%) và thời gian chiếu xạ siêu âm (30 min)
nguồn ảnh: ©Oskuee và cộng sự 2016

Kết quả tổng hợp hạt nano bạc bằng siêu âm

Quá trình tổng hợp được thúc đẩy bằng siêu âm với mật ong làm chất trung gian, sử dụng máy siêu âm UP400St, đã tạo ra các hạt nano bạc (Ag-NPs) hình cầu có kích thước hạt trung bình khoảng 11,8nm. Tổng hợp hạt nano bạc bằng siêu âm là phương pháp đơn giản và nhanh chóng, được thực hiện trong một bình phản ứng duy nhất. Việc sử dụng nước và mật ong làm vật liệu giúp phản ứng tiết kiệm chi phí và đặc biệt thân thiện với môi trường.
Kỹ thuật tổng hợp bằng siêu âm được trình bày, sử dụng mật ong làm chất khử và chất bao bề mặt, có thể được mở rộng sang các kim loại quý khác như vàng, paladi và đồng, mang lại nhiều ứng dụng bổ sung từ y học đến công nghiệp.

Phân bố kích thước hạt của Ag-NPs được tổng hợp trong điều kiện tối ưu; nồng độ bạc (0,3 M), nồng độ mật ong (20 wt%) và thời gian chiếu xạ siêu âm (30 min)
Nghiên cứu và ảnh: ©Oskuee và cộng sự 2016

Tác động đến sự tạo mầm và kích thước hạt bằng xử lý siêu âm

Siêu âm cho phép sản xuất các hạt nano, chẳng hạn như hạt nano bạc, theo yêu cầu cụ thể. Ba chế độ xử lý siêu âm phổ biến có tác động quan trọng đến sản phẩm thu được:
Xử lý siêu âm ban đầu: Việc áp dụng sóng siêu âm trong thời gian ngắn vào dung dịch quá bão hòa có thể khởi phát quá trình tạo mầm và hình thành các nhân. Vì siêu âm chỉ được áp dụng trong giai đoạn đầu, quá trình phát triển tinh thể sau đó diễn ra không bị cản trở, tạo ra các tinh thể lớn hơn.
Xử lý siêu âm liên tục: Việc chiếu siêu âm liên tục vào dung dịch quá bão hòa tạo ra các tinh thể nhỏ vì quá trình xử lý siêu âm không gián đoạn tạo ra nhiều nhân, dẫn đến sự phát triển của nhiều tinh thể nhỏ.
Xử lý siêu âm dạng xung: Siêu âm dạng xung là việc áp dụng siêu âm theo các khoảng thời gian xác định. Việc kiểm soát chính xác năng lượng siêu âm đưa vào cho phép tác động đến quá trình phát triển tinh thể để thu được kích thước tinh thể theo yêu cầu.

Thiết bị siêu âm hiệu năng cao để tổng hợp hạt nano

Hielscher Ultrasonics cung cấp các thiết bị xử lý siêu âm công suất cao, đáng tin cậy, được thiết kế cho các ứng dụng hóa siêu âm tiên tiến, bao gồm tổng hợp và xúc tác bằng siêu âm. Quá trình trộn và phân tán bằng siêu âm tăng cường đáng kể sự truyền khối, thúc đẩy sự thấm ướt các cụm nguyên tử và tạo thuận lợi cho quá trình tạo mầm tiếp theo của chúng, giúp kết tủa các hạt nano một cách hiệu quả. Tổng hợp bằng siêu âm được công nhận là một phương pháp đơn giản, hiệu quả về chi phí, tương thích sinh học, có khả năng tái lập, nhanh chóng và an toàn để sản xuất vật liệu nano chất lượng cao. (Đọc thêm về tổng hợp Perovskite bằng phương pháp hóa siêu âm và các cấu trúc nano ZnO!)

Các thiết bị siêu âm Hielscher được thiết kế để kiểm soát chính xác, tạo điều kiện tối ưu cho quá trình tạo mầm và phát triển vật liệu nano. Các thiết bị kỹ thuật số này được trang bị phần mềm thông minh, màn hình cảm ứng màu và menu trực quan để vận hành an toàn, thân thiện với người dùng. Ngoài ra, chúng còn có chức năng tự động ghi dữ liệu vào thẻ SD tích hợp, bảo đảm việc ghi chép quá trình được liền mạch.

Với dải hệ thống toàn diện – từ các thiết bị siêu âm cầm tay nhỏ gọn công suất 50 oát dùng trong phòng thí nghiệm đến các hệ thống công nghiệp mạnh mẽ công suất 16.000 oát – Hielscher cung cấp giải pháp siêu âm lý tưởng cho mọi ứng dụng. Được thiết kế chú trọng độ bền, thiết bị siêu âm Hielscher được chế tạo để vận hành liên tục trong điều kiện tải nặng, ngay cả trong môi trường khắc nghiệt, bảo đảm hiệu năng đáng tin cậy 24/7.
Bảng dưới đây cho biết công suất xử lý gần đúng của các thiết bị siêu âm của chúng tôi:

So sánh các phương pháp tổng hợp hạt nano thông thường và các phương pháp tổng hợp xanh.