Pengendalian Morfologi Nanopartikel Perak melalui Benih Capped-CTAB dan Waktu Pengeringan

Abstrak

Tidak seperti batang nano yang polidisperse yang dihasilkan oleh pertumbuhan yang diassistensi benih konvensi tanpa cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) dalam larutan benih, kami telah mencapai nanopartikel perak dengan bentuk yang berbeda—nanobola, batang nano, dan plat nano segitiga—dengan hanya menambahkan CTAB selama persiapan benih. Konsentrasi CTAB optimal menghasilkan kristal benih perak yang waktu pengeringannya menentukan morfologi nanopartikel akhir. Temuan kami menunjukkan bahwa CTAB menyesuaikan persaingan adsorpsi antara CTAB dan sitrat, mengarahkan pertumbuhan anisotropik benih perak. Pendekatan ini memperpanjang masa pakai benih yang dapat digunakan lebih dari 52 jam, menyederhanakan sintesis nanopartikel perak dan logam lainnya dengan kontrol bentuk.

Latar Belakang

Nanopartikel perak (AgNPs) terkenal karena resonansi plasmon permukaan, penutupan kuantum, dan penggenjotan kuantum makroskopis, yang memungkinkan aplikasi yang bervariasi dari lapisan antimikroba hingga terapi kanker, katalisis, penginderaan DNA, dan pengiriman obat. Properti fisik dan kimia AgNPs anisotropik—batang nano, kawat nano, dan plat nano—tergantung sangat pada ukuran dan morfologi, menekankan kebutuhan akan kontrol sintesis yang tepat.

Pengurangan kimia basah tetap menjadi metode paling scalable untuk produksi AgNP yang seragam, dengan kemajuan utama dari kawat nano yang diassistensi polyvinyl pyrrolidone hingga partikel nanoplan segitiga yang diinduksi cahaya.

Strategi yang diassistensi benih, yang diperkenalkan oleh Murphy et al. pada 2001, menawarkan ukuran dan bentuk yang dapat diatur namun menderita produk samping bola campuran, hasil rendah, dan jendela benih yang terbatas. Peran CTAB dalam mempromosikan pertumbuhan anisotropik, terutama dalam batang nano emas, menyoroti pentingnya.

Affinitas CTAB yang tinggi terhadap bidang (110) dan kemampuannya untuk membentuk mikel di atas konsentrasi mikel kritis (CMC) membuatnya sebagai tensioaktif yang kuat yang dapat menekan agregasi dan mengarahkan orientasi kristal.

Dalam studi ini, kami memperkenalkan metode yang diassistensi benih yang disempurnakan yang menggabungkan CTAB selama sintesis benih. Dengan mengontrol waktu pengeringan benih, kami dapat menghasilkan nanobola, batang nano, atau plat nano segitiga dalam sistem reaksi tunggal, dengan stabilitas benih yang diperpanjang lebih dari 52 jam. Inovasi ini menyederhanakan produksi AgNP yang spesifik bentuk dan meningkatkan efisiensi proses.

Metode

Untuk menyelidiki efek pengeringan benih yang dicap CTAB, kami mempersiapkan kristal benih perak dengan konsentrasi CTAB yang ditentukan dan mengeringkannya selama berbagai durasi sebelum menggunakannya untuk menumbuhkan AgNP.

Bahan

Nitrat perak (AgNO₃), borohydride kalium (KBH₄), natrium hidroksida (NaOH), sitrat natrium trisodium (TSC), dan asam askorbat (V_c) digunakan tanpa pemurnian lebih lanjut. Cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) dibeli dari AMRESCO LLC. Semua larutan disiapkan dengan air didwalinggandam.

Instrumen

Distribusi ukuran benih diukur oleh Malvern Zetasizer Nano ZS90 dalam mode pencaran cahaya dinamis (DLS), dengan deteksi sinyal melalui dioda photolawinche. Spektra UV-vis direkam pada spektrofotometer U-3900. Citra TEM ditangkap pada mikroskop JEM-1400.

Persiapan Benih Perak

Dalam 19,0 mL air destilasi, kami menambahkan 0,2 mL CTAB 0,1 M, 0,5 mL AgNO₃ 0,01 M, dan 0,5 mL TSC 0,01 M. Dengan cepat, 0,6 mL KBH₄ 0,01 M yang baru disiapkan dingin diperkenalkan, dan campuran diaduk secara halus pada 28 °C. Larutan berubah menjadi kuning, kemudian kuning-hijau setelah sekitar 10 menit, menunjukkan pembentukan kristal nano perak. Benih yang di-aging dari 0 hingga 52 jam dipanen dan digunakan langsung. Untuk perbandingan, benih yang disiapkan tanpa TSC tetapi dengan CTAB mengikuti protokol yang sama.

Persiapan Nanopartikel Perak

Dalam kolong 50-mL, 15,0 mL CTAB 0,1 M dan 0,5 mL AgNO₃ 0,01 M dicampur. Kemudian, 0,25 mL koloid benih yang di-aging untuk periode yang diinginkan ditambahkan. Akhirnya, 1,0 mL V_c 0,1 M dan 3,0 mL NaOH 0,1 M diperkenalkan, dan campuran diaduk dengan keras selama 3 menit. Warna larutan—kuning pekat, kemerahan cokelat, atau biru-hitam—mencerminkan waktu pengeringan benih. Benih yang di-aging tanpa TSC menghasilkan larutan kuning konstan, mengonfirmasi peran kritis sitrat.

Hasil dan Pembicaraan

Pengaruh Waktu Pengeringan Benih terhadap Morfologi AgNP

Batang nano perak menunjukkan dua pita plasmon (transversale ~400 nm dan longitudinal), sementara partikel nanoplan segitiga menunjukkan puncak khas pada sekitar 350, 420, dan 500 nm.

Gambar 5a menampilkan spektrum UV-vis dari AgNet yang tumbuh dari benih yang di-aging 0–30 menit. Benih segar menghasilkan satu puncak pada sekitar 412 nm, yang mengindikasikan nanobola. Benih yang di-aging 10 menit memperkenalkan bahu 480 nm yang kecil, yang mengindikasikan batang yang baru muncul. Pada 15 menit, bahu 345 nm yang mencolok muncul, sementara pengeringan 30 menit menghasilkan tanda segitiga lengkap, dengan λ_max yang bergeser merah dan intensitas 500 nm yang ditingkatkan.

Citra TEM (Gambar 1b, c, e) mengonfirmasi morfologi ini: nanobola (~41 ± 14 nm), batang nano (~53,9% populasi), dan plat nano segitiga (~56,3%). Histogram distribusi bentuk (Gambar 1d, f) menggambarkan pergeseran progresif dari bola ke batang ke plat seiring meningkatnya usia benih.

Berbeda dengan laporan sebelumnya bahwa benih harus digunakan dalam waktu 2 jam, benih yang dicap CTAB kami tetap stabil hingga 52 jam, menghilangkan keterbatasan waktu dan memungkinkan sintesis yang efisien dan scalable.

Peran CTAB dalam Persiapan Benih

Penyertaan CTAB mengubah lanskap adsorpsi selektif. Dengan baik CTAB dan TSC, waktu pengeringan menyesuaikan persaingan antara sitrat dan CTAB, mengarahkan pertumbuhan sepanjang bidang kristal tertentu. Tanpa TSC, benih menghasilkan hanya nanopartikel bola terlepas dari waktu pengeringan, mengonfirmasi keperluan sitrat untuk anisotropi.

Konsentrasi CTAB antara CMC pertama (0,72 mM) dan kedua (9,6 mM) membentuk mikel bola, menyediakan templat untuk depozi atom Ag dan mencegah agregasi.

Bukti komputasi dan eksperimental menunjukkan bahwa AgOn cenderung bereaksi dengan Br⁻ untuk membentuk AgBr, yang memperlambat laju reduksi dan mempromosikan nukleasi yang terkontrol.

Dinamika Pengeringan Benih

Spektra UV-vis dari benih yang di-aging 0–360 menit menunjukkan pergeseran λ_max dari 411 nm (segar) menjadi 408 nm setelah 20 menit, dengan penyempitan FWHM seiring waktu, yang mengindikasikan pertumbuhan partikel dan polidispersi yang berkurang. Munculnya penyerapan >600 nm setelah 30 menit mencerminkan peningkatan kepadatan muatan status permukaan karena persaingan CTAB-sitrat.

Pengukuran DLS menunjukkan diameter hidrodinamis yang melebar dari 3,8 nm (5 menit) menjadi 17,5 nm (120 menit), yang dikonfirmasi oleh citra TEM. Agregasi benih menjadi jelas setelah 120 menit, tetapi tetap dapat dikelola dalam jendela 6 jam.

Secara kolektif, pengamatan ini menunjukkan bahwa waktu pengeringan benih memodulasi adsorpsi yang spesifik bidang, memungkinkan kontrol morfologi yang tepat dari AgNP.

Kesimpulan

Dengan menggabungkan CTAB dalam sintesis benih dan memanipulasi waktu pengeringan, kami mencapai AgNP yang selektif bentuk—nanobola, batang nano, dan plat nano segitiga—dalam sistem reaksi tunggal yang dapat direproduksi. Benih yang dicap CTAB tetap berfungsi selama lebih dari 52 jam, menghilangkan keterbatasan masa pakai benih pendek dari metode konvensi. Waktu pengeringan benih mengatur persaingan adsorpsi antara CTAB dan sitrat, menentukan pertumbuhan yang spesifik bidang dan, akibatnya, morfologi partikel. Strategi ini menawarkan platform yang scalable dan serbaguna untuk menyesuaikan bentuk nanopartikel perak dan logam lainnya dengan hasil tinggi dan reproduksi.

Singkatan

AgNPs:

Nanopartikel perak

CMC:

Konsentrasi mikel kritis

CTAB:

Cetyltrimethylammonium bromide

DLS:

Pencaran cahaya dinamis

FWHM:

Lebar setengah maksimum

PVP:

Polivinil pirrolidon

TEM:

Mikroskop transmisi elektron

TSC:

Trisodium citrate

V_c

Asam askorbat

λ_max

Panjang gelombang absorpsi maksimum