שיטה מהירה סינתזה Au, Pd ו- Pt Aerogels באמצעות הפחתת המבוסס על פתרון ישיר
18 ביוני 2018
שיטת סינתזה המבוסס על פתרון הפחתה מהירה, ישיר כדי לקבל aerogels Au, Pd ו- Pt מוצג.
שיטה זו יכולה לעזור לענות על שאלות מפתח בתחום האירוג'ל לגבי האפשרות לסנתז ישירות אירוג'לים מתכתיים מתמיסות מימיות ולא מננו-חלקיקים מוכנים מראש. שיטות אחרות, כגון ג'ל סול, דורשות זמן ארוך בהרבה להתלכדות ננו-חלקיקים. ההשלכות של טכניקה זו משתרעות על יישומי קטליזה וחישה בשל שטח הפנים הגבוה של אירוג'ל המתכת האצילית והיעדר חומרי תמיכה.
למרות ששיטה זו יכולה לספק תובנה לגבי סינתזת אירוג'ל ישירה, ניתן ליישם אותה גם על טכניקות סינתזה אחרות, כגון ביו-טמפלציה, כדי להשיג בקרת צורה טובה יותר על מונוליתים של אירוג'ל. כדי להתחיל בהליך, הכינו שני מיליליטר כל אחד של 0.1 תמיסות מולאריות של זהב (III) כלוריד טריהידרט ונתרן טטרה-כלורופלדאט במים נטולי יונים. לנער במרץ ולערבב את התמיסות כדי להמיס את המלחים.
הניחו לתמיסת הפלדיום לשבת מספר שעות כדי להבטיח פירוק מוחלט. הכינו שני מיליליטר של 0.1 אשלגן הקסכלורופלטינט מולארי בתערובת של אחד לאחד בנפח של מים נטולי יונים ואתנול. מנערים במרץ ומערבלים את התערובת עד שהמלחים נמסים.
הכינו 10 מיליליטר כל אחד מ-0.1 תמיסות טוחנות של בוראן דימתילאמין, ונתרן בורוהידריד במים נטולי יונים. מערבל את התמיסות למשך דקה עד שתיים כדי להבטיח התמוססות מוחלטת. לאחר מכן, העבירו 0.5 מיליליטר מתמיסת הזהב לצינור מיקרו-צנטריפוגה של 1.7 מיליליטר או שני מיליליטר.
הכניסו בכוח 0.5 מיליליטר DMAB לתוך הצינור כדי לערבב במהירות את המלח וחומר ההפחתה. הנח את צינור המיקרו-צנטריפוגה במתלה, והשאיר את המכסה פתוח כדי לאפשר לגז מימן לברוח. באותו אופן, שלבו 0.5 מיליליטר מתמיסת הפלטינה עם 0.5 מיליליטר DMAB ו-0.5 מיליליטר מתמיסת הפלדיום עם 0.5 מיליליטר נתרן בורוהידריד.
כחמש דקות לאחר תחילת התגובה, מכסים את צינורות המיקרו-צנטריפוגה, והופכים אותם בעדינות שלוש עד חמש פעמים כדי לסייע להתלכדות של חלקיקי מתכת שאינם חלק מג'ל המתכת. פתח מיד את המכסה של הצינורות, והחזיר אותם למתלה לאחר ההיפוך. השאירו את ג'לי המתכת המתהווים בתמיסות חומר ההפחתה למשך שלוש עד שש שעות כדי לאפשר הפחתה מוחלטת של יוני מתכת ומזעור אנרגיה נטולת פני השטח.
לאחר מכן, הסר בזהירות חומר הפחתה עודף מכל צינור, וודא שיישאר מספיק תמיסה כדי שהמניסקוס לא ייגע בג'ל. פיפטה לאט מים נטולי יונים לתוך צינורות המיקרו-צנטריפוגה עד שהם מתמלאים לחלוטין. לאחר מכן, מלאו שלושה צינורות חרוטיים של 50 מיליליטר במים נטולי יונים.
טבלו כל צינור מיקרו-צנטריפוגה בצינור מים נטולי יונים, ואפשרו לכל ג'ל להחליק מצינור המיקרו-צנטריפוגה שלו לתוך הצינור הגדול יותר. הזיזו בעדינות את הג'ל בעזרת מרית במידת הצורך. מכסים את הצינורות ומשאירים את הג'לים במים נטולי יונים למשך 24 שעות.
החלף את המים לאחר 12 שעות על ידי החלפת ממס. אל תאפשר למניסקוס ליצור קשר עם הג'לים בזמן החלפת המים. כדי להתחיל בהליך EIS לג'לי מתכת רטובים, הסר כמה שיותר מים מבלי שהמניסקוס יגע בג'לים השטופים.
הוסף 50 מיליליטר של 0.5 אשלגן כלורי מולרי לכל צינור, ואפשר לג'לים להשרות למשך 24 שעות. לאחר מכן, השתמש במברשת זיפים עדינה כדי לצפות אלקטרודת חוט אשלגן בגודל מילימטר אחד בלכה לא תגובתית, ולהשאיר ארבעה עד חמישה מילימטרים חשופים בקצה. הניחו ללכה להתייבש במשך 20 דקות.
מרחו לפחות שכבה אחת נוספת של לכה באותו אופן. לאחר מכן, חותכים צינור חרוטי של 50 מיליליטר לשניים כדי לשמש כבקבוקון האלקטרוכימי. הכנס אלקטרודת ייחוס כלוריד כסף-כסף רוויה ואלקטרודה נגדית של חוט אשלגן בגודל 0.5 מילימטר דרך מכסה או אטם מחורר עבור הצינור ששונה.
חבר את שלוש האלקטרודות לפוטנציוסטט. העבירו את אחד הג'לים ואת האלקטרוליט שלו לצינור שהשתנה על ידי יציקה עדינה של האלקטרוליט והג'ל המאוזן לתוך הצינור מבלי לתת לג'ל ליצור קשר עם ממשק הנוזל-אוויר. ודא שהג'ל מיושב בתחתית הצינור, והוסף אלקטרוליט במידת הצורך.
לאחר מכן, הנח את המכסה על הצינור, והתאם את אלקטרודות הייחוס והנגד לפי הצורך. עבור ג'ל הזהב, הכנס בעדינות את הקצה החשוף של האלקטרודה העובדת המצופה לכה לתוך הג'ל. עבור ג'ל הפלדיום והפלטינה, הנח את האלקטרודה העובדת המצופה לכה בבקבוקון החרוטי לאורך המשטח הפנימי, והנח את ג'ל המתכת על גבי קצה חוט הפלטינה החשוף.
בצע סריקות EIS פוטנציוסטטיות בתדרים שבין 100 מגה-הרץ למילי-הרץ אחד באמצעות גל סינוס משרעת של 10 מילי-וולט. במקרה של הצפת זרם, השתמש ב- EIS גלוונוסטטי עם אותו טווח תדרים ומשרעת גל סינוס של 100 עד 200 מיליאמפר . לאחר אפיון אלקטרוכימי, יש לשטוף את הג'לים במים נטולי יונים למשך 24 שעות כמתואר בתום סינתזת הג'ל.
לאחר מכן, הסר כמה שיותר מהשטיפה מבלי לתת למניסקוס לגעת בג'לים. מקפיאים את הג'לים בחום שלילי של 80 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות. לבסוף, יבש בהקפאה את הג'לים במייבש הקפאה עם נקודת הגדרת לחץ של ארבעה פסקל ומטה כדי להשיג את האירוג'לים המתכתיים.
האירוג'לים מזהב, פלדיום ופלטינה הראו כולם הידרופוביות אופיינית והיו בעלי תכונות דומות לג'לים שנוצרו על ידי טכניקות סינתזה איטיות יותר. מיקרוסקופ אלקטרונים סורק הראה כי לאירוג'ל זהב יש ננו-נקבוביות גדולות ורצועות חלקות. לאירוג'לים של פלדיום ופלטינה היה מבנה חרוזים על חוט עם ננו-חלקיקים מאוחים ורצועות צרות יותר.
לאירוג'ל הפלטינה היה טווח גדול יותר של קוטר מבנה נקבוביות מאשר לאירוג'ל פלדיום, אשר יוחס ליציבות ננו-חלקיקי פלטינה הדורשת שימוש באתנול כדי להניע התלכדות והקלות הנובעת מכך של התפתחות בועות גז מימן גדולות במהלך היווצרות הג'ל. עקיפה של קרני רנטגן הראתה שיאים אופייניים למתכות המתאימות ללא תחמוצות הניתנות לזיהוי. איזותרמיות פיזיורפציה של גז חנקן היו מסוג IV, האופייני לחומרים מזופוריים.
התפלגות גודל הנקבוביות ונפח הנקבוביות המצטבר שמודלו מהאיזותרמים הראו גדלי נקבוביות בעיקר בטווח של 2 עד 50 ננומטר, מה שמאשר שהאירוג'לים היו מזו-נקבוביים. ספקטרום העכבה האלקטרוכימית הותאם למודל קו תמסורת המבוסס על מודל המעגל המקביל של רנדל שונה. הקיבוליות הספציפיות ושטחי הפנים הספציפיים חושבו מנתוני EIS.
ערכים אלה היו עקביים עם הקיבוליות ושטחי הפנים הספציפיים שנקבעו מניסויי וולטמטריה מחזוריים. פיתחנו לראשונה את הרעיון לשיטה זו בהתבסס על שילוב של תמיסות מתכת אצילות של 100 מילי-מולרי וחומרי הפחתה לפרויקטים אחרים לפני השלכתם והתבוננות בהיווצרות מהירה של ג'ל מתכת. לאחר שליטה, טכניקה זו יכולה לגרום לג'ל מתכת אצילי תוך דקות לפני שלבי השטיפה והייבוש.
בעת ניסיון הליך זה, זכור להימנע ממגע של ג'לי המתכת עם ממשק הנוזל-אוויר על מנת למנוע דחיסת ג'ל. בעקבות הליך זה, ניתן לבצע שיטות אחרות כמו ביו-טמפלציה כדי להתמודד עם האתגרים של בקרת צורת אירוג'ל.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מאמר זה מציג שיטה מהירה של סינתזת חיזור ישירה מבוססת תמיסה להשגת אירוג'לים של Au, Pd ו-Pt. גישה חדשנית זו מאפשרת סינתזה של אירוג'לים מתכתיים ישירות מתמיסות מימיות, ומספקת יתרונות משמעותיים על פני שיטות מסורתיות.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- מדע החומרים
- ננוטכנולוגיה
- קטליזה
רקע
- שיטות מסורתיות כגון sol gels דורשות זמנים ארוכים יותר להתמזגות של ננו-חלקיקים.
- לארוג'לים של מתכת הם בעלי שטחי פנים גבוהים ואינם זקוקים לחומרי תמיכה, מה שהופך אותם לאידיאליים עבור יישומים מגוונים.
- סינתזה ישירה מתמיסות יכולה לספק תובנות לגבי היווצרות הארוג'ל.
- שיטה זו יכולה גם לשפר טכניקות סינתזה אחרות, כגון biotemplating.
מטרת המחקר
- לבחון את ההיתכנות של סינתזה של אירוגלים מתכתיים ישירות ממסלול של תמיסות מימיות.
- לשפר את ההבנה של טכניקות סינתזה של אירוגלים.
- לחקור יישומים פוטנציאליים בקטליזה ובחשיפה (sensing).
שיטות שנעשה בהן שימוש
- הכנה של תמיסות 0.1 מולריות של gold(III) chloride trihydrate ושל sodium tetrachloropalladate.
- ניעור חזק וערבול ב-vortex להמסת המלחים.
- שיטת סינתזה של חיזור ישיר ליצירת אירוג'ל.
- יישום השיטה להשגת בקרת צורה טובה יותר על מונוליתים של אירוג'ל.
תוצאות עיקריות
- סינתזה מוצלחת של אירוגלים של Au, Pd ו-Pt ממסלולות מימיות.
- הדגמה של יתרונות על פני שיטות סינתזה מסורתיות.
- פוטנציאל ליישומים משופרים בקטליזה ובחשיפה (sensing) הודות לשטח פנים גבוה.
- התובנות שנרכשו עשויות להנחות טכניקות עתידיות של סינתזת אירוגלים.
מסקנות
- השיטה הישירה מבוססת התמיסה היא גישה מבטיחה עבור סינתזה של אירוג'ל מתכתי.
- טכניקה זו יכולה להפחית משמעותית את זמן הסינתזה בהשוואה לשיטות מסורתיות.
- מחקרים עתידיים יכולים להרחיב שיטה זו עבור יישומים מגוונים במדע החומרים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
שיטת סינתזה מהירה זו מאפשרת יצירה ישירה של אירוגלים של מתכות אצילות מתמיסות מימיות, ובכך מקצרת את זמן הסינתזה משעות לדקות. שטח הפנים הספציפי הגבוה והיעדר חומרי תמיכה הופכים את האירוגלים הללו למתאימים ליישומים קטליטיים ובחשיפה (sensing) בתהליכי גילוי תרופות בשלבים מוקדמים ובזרימות עבודה של תיקוף מטרות. השיטה תומכת בהפחתת סיכונים מכניסטיים על ידי אספקת מונוליתים הדירות ושרירותיות עבור סריקה ופיתוח בדיקות בהמשך התהליך.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של מסלולים קטליטיים באמצעות מונוליתים של מתכת אצילה בעלת שטח פנים גבוה לצורך תיקוף המטרה.
- ערך תפעולי: היווצרות מהירה של ג'ל בתוך דקות מאיצה את לוחות הזמנים של שלבי הגילוי המוקדמים לזיהוי מולקולות מובילות.
סריקה ופיתוח בדיקה (Assay)
- ערך מדעי: מייצר תוצאות מדידה כמותיות של עכבה אלקטרוכימית וולטמטריה מחזורית עבור פלטי תוצאות סטנדרטיים של הבדיקה.
- ערך תפעולי: מקל על הכנת מערכות ביולוגיות שעברו תיקוף עבור תהליכי סינון תרכובות בהמשך.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: תומך במידול מערכות רלוונטיות למחלות באמצעות גודל נקבים ומבנה רשמי (ligament) ניתנים לכוונון באארוגלים.
- ערך תפעולי: מאפשר המשכיות משלב הגילוי ועד לאישור פרה-קלניי באמצעות פרוטוקולים של lyophilization (הקפאה-ייבוש) ושטיפה.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת עיבוד
השיטה משתלבת בשלבי הגילוי המוקדמים לבדיקת היפותזות על מטרות, תומכת בסריקה באמצעות מדידות כמותיות של שטח פנים, ומאפשרת רציפות תרגומית באמצעות מונוליתים של אירוג'ל הניתנים לשחזור.
- ביולוגיה של הגילוי: תומך בבדיקת היפותזות באמצעות סינתזה ישירה של אירוגלים של מתכות אצילות בעלות פעילות קטליטית מתוך תמיסה.
- סריקה: מספק חומרים מוכנים לבדיקה עם שטח פנים ספציפי שניתן לכימות באמצעות EIS ו-CV לצורך הערכת תרכובות.
- אנליטיקה: מספק פלטי של עכבה אלקטרוכימית וולטמטריה ציקלית לצורך ניתוח השוואתי של תנאים.
- מחקר תרגומי: מקשר לעבודות פרה-קליניות באמצעות עקביות מבנית של האירוגלים לאחר שטיפה והקפאה-ייבוש.
- שימוש חוזר ארגוני: מציב את השיטה ככשרון בר-שימוש חוזר ליצירת אירוגלים של מתכות אצילות בפרויקטים מרובים.
השפעה תפעולית ועסקית
- ערך מדעי: ביטחון חיזוי בתפקוד קטליטי באמצעות שטח פנים גבוה והיעדר חומרי תמיכה.
- ערך תפעולי: סטנדרטיזציה באמצעות היווצרות מהירה וניתנת לשחזור של ג'ל באנבובות מיקרוצנטריפוגה.
- ערך אסטרטגי: הפחתת סיכון ביולוגי בזיהוי מובילים על ידי מתן אפשרות לסריקה קטליטית מוקדמת.
- השפעה על הפורטפוליו: תיעדוף של מטרות מתכות יקרות מותאם לסיכון, בהתבסס על היתכנות סינתזה של אירוג'ל.
שיקולי יישום
- דרוש מומחה באפיון אלקטרוכימי וטיפול במתכות אצילות.
- נדרשים פוטנציוסטט, מערך EIS/CV ומייבש קיפאון לייצור האירוג'ל.
- נדרשת סטנדרטיזציה בין-צוותית של פרוטוקולי שטיפה, החלפת ממס והעברת ג'ל.
- כולל שיקולי התאמה עבור מקדימים שונים של מתכות אצילות וחומרי חיזור שונים.
- כולל מגבלות מעשיות כגון סיכון לדחיסת הג'ל במקרה של מגע עם ממשק נוזל-אוויר במהלך הטיפול.
