Síntesis, caracterización e influencia de la energía de irradiación en las propiedades ópticas de las nanoestructuras de ZnO

Nov 21, 2023

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 20016 (2022) Citar este artículo

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Las nanopartículas de óxido de zinc (NP) se sintetizan mediante el método sol-gel para aplicaciones optoelectrónicas, fotónicas y médicas. Las NP sintetizadas se irradian con láseres con longitudes de onda de 1064 nm y 532 nm en un intento de mejorar las propiedades estructurales y funcionales de las partículas. Las NP se caracterizan mediante técnicas de difracción de rayos X, microscopía electrónica de barrido y transmisión, microscopía de fuerza atómica y espectroscopía ultravioleta-visible. El análisis estructural muestra que las partículas tienen una estructura hexagonal policristalina del grupo espacial (P63mc). El tamaño promedio de los cristalitos de las nanopartículas varía en el rango de 13 a 15 nm después y antes de la irradiación con un rayo láser. La caracterización morfológica reveló la formación de aglomerados de NP en el rango de 42 a 46 nm. Se observa un cambio en los espectros de absorción después de la irradiación con un rayo láser. Este cambio se debe al efecto de la irradiación en la estructura electrónica de la muestra. Este efecto se confirma por una disminución en la energía de banda prohibida. Los parámetros ópticos también se deducen y discuten. La irradiación de nanopartículas de ZnO por rayos láser de longitud de onda 1064 nm y 532 nm disminuye el tamaño de los cristalitos lo que aumenta su actividad antibacteriana. La actividad biológica de las NPS y en la mejora de la eficacia de los antibióticos se prueban y analizan. Los resultados enfatizaron el papel positivo de las ZnO-NP en la aplicación mencionada anteriormente.

Las nanopartículas y los nanopolvos han atraído la atención de científicos, ingenieros y médicos debido a sus aplicaciones versátiles y ventajas prometedoras para aplicaciones y requisitos futuros1,2,3,4,5,6,7. Las ZnO-NP tienen una gran capacidad para desencadenar la producción de especies de oxígeno y liberar iones de zinc. Esto, a su vez, puede inducir la apoptosis celular. Además, se sabe que las ZnO-NP mantienen la integridad de la insulina. Debido a la fuerte propiedad de absorción en la región UV, las ZnO-NP se han utilizado como elemento antienvejecimiento y en cosmética. Sin embargo, las ZnO-NP están recibiendo cada vez más atención de la comunidad científica por ser utilizadas como agentes anticancerígenos y antibacterianos. En comparación con otras nanopartículas, las ZnO-NP son menos costosas y menos tóxicas cuando se emplean para aplicaciones biomédicas8. Los agentes antibacterianos se pueden clasificar en agentes orgánicos e inorgánicos. En consecuencia, el ZnO, como material inorgánico, ha demostrado ser un agente antibacteriano superior. Sin embargo, la actividad antibacteriana de las NPs de ZnO frente a bacterias Gram-positivas y Gram-negativas ya ha sido identificada9. Además, se identificó que las NP de ZnO tienen un efecto antibacteriano contra las esporas10. Es bien sabido hoy en día que la actividad del ZnO depende en gran medida del tamaño de sus partículas, por lo tanto de su área superficial y de su concentración. Por otro lado, la calidad de su estructura y forma cristalina tiene poco efecto11. Umair Manzoor et al. investigó, el efecto de los parámetros de síntesis (a saber, temperatura, tiempo de nucleación y tratamiento térmico posterior a la síntesis) en las propiedades de detección de ZnO NPs12. Se encontró que estos parámetros afectan tremendamente los tamaños de partícula y su cristalinidad. Las NP de ZnO se sintetizaron mediante un método de coprecipitación utilizando acetato de zinc, hidróxido de potasio y metanol como medio solvente. Sin embargo, los tamaños de partículas de los polvos de ZnO oscilaban entre \(100 nm\) y \(458 nm\) dependiendo de la temperatura de síntesis. Varios trabajos en la literatura reportaron la preservación exitosa de la selectividad inherente de las ZnO-NPs a las células cancerosas mediante la síntesis de estos materiales usando el método de precipitación13,14. El método Sol-Gel es un método novedoso para la síntesis de ZnO-NPs15,16. Yin Zhang et al. informó, en 2013, sobre las aplicaciones biomédicas de los nanomateriales de ZnO, como la obtención de imágenes biomédicas, la administración de fármacos y genes, y la detección biológica17,18,19.

En este artículo presentamos por primera vez todos los resultados experimentales sobre la síntesis de nanopartículas de ZnO mediante el método sol-gel, y la caracterización de la nanoestructura, análisis de morfologías y propiedades ópticas antes y después de la irradiación por 1064 nm y 532 nm. . Se analiza y discute el efecto de la sonicación en el diámetro medio efectivo de las nanopartículas de ZnO preparadas. Se informará y discutirá el efecto de la irradiación láser sobre el tamaño de los cristalitos, los espectros de absorción, la banda prohibida óptica, el índice de refracción, el coeficiente de extinción, el coeficiente de absorción y la conductividad óptica de las nanopartículas de ZnO. También se informará y discutirá sobre las actividades antibacterianas de las nanopartículas de ZnO.

Hasta donde sabemos, ningún documento ha informado y discutido el efecto de la irradiación láser en las propiedades de la nanoestructura, el análisis de morfologías y las propiedades ópticas de las nanopartículas de óxido de zinc.

Las nanopartículas de ZnO se sintetizaron por el método sol-gel. En este método se utilizaron dihidrato de acetato de zinc (Zn(CH3CO2)2.H2O) e hidróxido de sodio (NaOH) como precursores sin purificación adicional. Se añadió una cantidad estequiométrica de acetato de zinc a una solución de hidróxido de sodio en una relación molar de 1:85. La solución se agitó continuamente durante 4 horas mientras la temperatura se mantenía en el rango de 70 a 75 °C. A continuación, el producto se filtra utilizando papeles de filtro Whatman. Luego, el precipitado se lavó con etanol y agua desionizada varias veces para eliminar las impurezas no deseadas (es decir, la sal de sodio \({\mathrm{NaCH}}_{3}{\mathrm{CO}}_{2}\)) y para asegurar un alto grado de purificación. A esto le siguió un secado a 90 °C durante 2 h. El precipitado seco se sometió a un molino de bolas para producir nanopartículas finas de ZnO.

Los patrones de difracción de rayos X se midieron para las nanopartículas de ZnO antes y después de ser radiadas con láseres Nd-YAG. Todos los patrones se midieron en el rango de 5 a 80 (2θ). La radiación Cu Kα tiene una longitud de onda de 1,54060 Å. La morfología de la superficie de las NP de ZnO de síntesis antes y después de la irradiación se analizó mediante microscopía electrónica de barrido. La investigación adicional de la morfología y la estructura interna de las nanopartículas se llevó a cabo mediante microcopia electrónica de transmisión. Las características topográficas de las nanopartículas sintetizadas se examinaron utilizando el microscopio de fuerza atómica. Las mediciones de espectroscopia FTIR se realizaron utilizando TENSOR27, un espectrómetro FTIR de Bruker. Todas las mediciones de los espectros de absorción se registraron utilizando una luz infrarroja continua en el rango de número de onda de 4000–600 cm−1. Los espectros de absorción óptica de ZnO NPS antes y después de la irradiación se obtuvieron mediante espectroscopia UV-Vis en el rango de 190 a 1100 nm. Se probó la eficacia/actividad biológica de las nanopartículas de ZnO antes y después de la irradiación con un rayo láser.

La Fig. 1 muestra los patrones XRD para las nanopartículas de ZnO antes y después de ser irradiadas con rayos láser con longitudes de onda de 532 nm y 1064 nm. El rayo láser utilizado en el presente trabajo es el láser Neodymium-Yttrium Aluminium Garnet (Nd-YAG). Todos los picos de difracción identificados en los patrones podrían indexarse ​​a una sola fase de la estructura cristalina hexagonal del grupo espacial P63mc y el grupo espacial número 186 (número de referencia ICDD (98-015-5780)20). La orientación más preferida de la estructura cristalina es el plano \((101)\) como se muestra desde el pico de intensidad más alto. Las nanopartículas de ZnO no muestran cambios en la orientación preferida después de la irradiación con láser, mientras que se observa un pequeño cambio de la posición del pico hacia ángulos de difracción bajos al aumentar el energía de irradiación láser No se observan picos adicionales después de la irradiación con láser, lo que indica la alta calidad cristalina del material.

Los patrones XRD antes y después de la irradiación con rayos láser para ZnO NP.

Hay dos parámetros de red para la celda unitaria hexagonal, conocidos como 'a' y 'c', que se pueden calcular a partir de los espectros XRD de las muestras mediante la siguiente ecuación21:

donde \(h, k \) y \(l\) se conocen como el índice de Miller. \(d\) distancia interplanar del cristal.

El tamaño de cristalito promedio \(D\) de la nanopartícula de ZnO se estimó utilizando la ecuación estándar conocida como fórmula de Scherrer22:

donde \(\lambda = 1.5406{\text{ {\AA}}}\) es la línea Cu kα, \(\theta\) es el ángulo de difracción XRD de Braggs y \(\beta\) es el ancho total en medio máximo (FWHM) en radianes.

El tamaño promedio de los cristalitos se muestra en la Tabla 1. El tamaño promedio de los cristalitos de las nanopartículas (D) es igual a 13,4198 nm antes de la irradiación, mientras que este valor aumenta a 14,3710 nm después de la irradiación con un rayo láser de 1064 nm y disminuye a 13,4708 nm después de la irradiación con 532 nm. rayo láser nm. La ligera variación en el tamaño de los cristalitos después de la irradiación con los láseres de 532 nm y 1064 nm conduce a una ligera expansión y deformación de las muestras debido al efecto térmico causado por la energía del rayo láser23.

La densidad de dislocaciones para las muestras preparadas se ha estudiado mediante la siguiente relación24:

La deformación de la red para cada muestra preparada se calculó mediante la ecuación:

El análisis estructural completo para ZnO NP puro e irradiado se ha enumerado en la Tabla 1, se observó la variación en el tamaño de los cristalitos, la densidad de dislocación y la tensión de la red con respecto al ZnO puro. Estos indican claramente el efecto de la energía de irradiación láser sobre las propiedades estructurales de las NP de ZnO preparadas.

Los parámetros de red (a y c) para las nanopartículas de ZnO se calcularon utilizando la siguiente ecuación. (5) y (6) se revelaron en la Tabla 2:

donde \(\theta_{100}\) y \(\theta_{002}\) son los ángulos de los picos de difracción de \(\left( {100} \right)\) y \( \left( {002} \ derecha)\) planos respectivamente.

Como puede verse en la Tabla 2, el análisis del patrón XRD indica que las constantes de la estructura cristalina son tales que a = 3.221Å, c = 5.166 Å para ZnO puro. Después de la irradiación con un rayo láser de \(1064 nm\), estos parámetros muestran un pequeño aumento (a = 3,237 Å, c = 5,188 Å). Mientras que, después de la irradiación con un rayo láser de 532 nm, estos parámetros muestran un aumento notable (a = 3.257 Å, c = 5.217 Å). Esto se debe al cambio en el ángulo de difracción bajo el efecto de la irradiación.

Los volúmenes de las celdas unitarias también podrían calcularse a través de Lattice Geometry como se indica a continuación25:

La longitud del enlace Zn-O se calculó mediante la ecuación:

donde \(\left( \mu \right)\) es el parámetro posicional de la estructura de wurtzita que indica la extensión del desplazamiento de los átomos en relación con el siguiente plano en el eje c, como se expresa con la ecuación:

De hecho, es interesante notar que la variación de \(V\) (Tabla 2) con la energía de irradiación muestra una tendencia similar a la variación de \(L\) (Tabla 3) con la energía de irradiación.

El espacio d del plano \(\left( d \right)\) asociado con los parámetros de red \(\left( {a, c} \right)\) y los índices de Miller \(\left( {hkl} \right )\) predecible de forma concisa en la Tabla 3 se calcula también a través de las ecuaciones teóricas y de Braggs26,27,28:

Los valores de espaciado d obtenidos de la ley de Braggs y las ecuaciones teóricas son casi idénticos. También notamos el aumento en el espacio d con el aumento en la energía de irradiación. Esto es causado por la variación en el volumen y la longitud de los enlaces Zn-O al aumentar la energía del rayo láser.

La morfología de las nanopartículas se examinó bajo el microscopio electrónico de barrido con el mayor aumento disponible. La Figura 2 muestra las micrografías electrónicas de barrido de las nanopartículas de ZnO antes (Fig. 2a), después de la irradiación con un láser con longitudes de onda de \(1064 nm\) (Fig. 2b), y después de la irradiación con un láser con longitudes de onda de \ (532 nm\) (Fig. 2c). La duración de la irradiación fue de 1 min. La duración del pulso es igual a un nanosegundo para tres partículas con pulsos de láser Nd: Yag. Las tres nanopartículas investigadas muestran la formación de nanopartículas de uniformidad de tamaño y morfología bien establecida. La formación de nanopartículas también se caracteriza por una alta tendencia de estas partículas a aglomerarse. Esta propiedad es una característica de las partículas diminutas que se atribuye a las fuerzas de van der Waals en dimensiones bajas. Además, la naturaleza de la topografía de la partícula decide el grado de estas fuerzas. Se sabe que la presencia de asperezas aumenta las fuerzas de van der Waals debido a un aumento en el enclavamiento mecánico entre las partículas estrechamente adyacentes. La intensidad relativa XRD de cada cara de difracción en ZnO puro (9176) y después de irradiar con un láser que tiene longitudes de onda de \(532 nm\) (8092) y \(1064 nm\) (13,024) cambia según la morfología del cristal.

Las imágenes SEM de los polvos de ZnO antes (a) y después de la irradiación con láser con una longitud de onda de 1064 nm (b) y 532 (c).

Para confirmar las propiedades morfológicas y estructurales de las nanopartículas, se utilizó microscopía electrónica de transmisión. La imagen TEM de las nanopartículas de ZnO y el histograma de tamaño de partícula correspondiente se muestran en la Fig. 3a antes de la irradiación con un láser, en la Fig. 3b después de la irradiación con un láser con longitudes de onda de \(1064 nm\), y en la Fig. .3c después de la irradiación con un láser que tiene longitudes de onda de \(532 nm\). Las imágenes TEM de las nanopartículas de ZnO exhiben nanopartículas que tienen una forma octaédrica correspondiente a la estructura de red de espinela que se identificó a partir del análisis de los patrones XRD. Como puede verse en la Tabla 1, los tamaños identificados están en el rango de \(42-46 nm\).

Las imágenes TEM y el correspondiente histograma de tamaño de partícula de los polvos de ZnO antes (a) y después de la irradiación con láser con una longitud de onda de 1064 nm (b) y 532 nm (c).

Todas las nanopartículas se analizaron inicialmente después de agregar una pequeña cantidad de nanopartículas a la solución de dispersión. La sonicación es un proceso en el que se utilizan ondas sonoras para agitar partículas en un medio. Los sonicadores producen ondas sonoras en un baño de agua, donde se colocan nanopartículas (10–30) g en un vaso de precipitados durante (10–15) minutos. La sonicación se realiza para lograr múltiples propósitos, como la desaglomeración de nanopartículas, la reducción de tamaño y la dispersión en el fluido base. Luego, las mediciones se repitieron después de la sonicación de las muestras durante un período de tiempo prolongado. Los parámetros de medición se muestran en la Tabla 4, donde se usó agua como solución de dispersión y se usó un rayo láser de \(660 nm\) de longitud de onda en la medición.

Las Figuras 4,5,6) muestran las distribuciones de tamaño de partícula de las nanopartículas de ZnO antes y después de ser irradiadas con láser y con sonicación extendida. Se encontró que el diámetro medio efectivo era igual a \(136,7 nm\), \(132,7 nm\) y \(200,8 nm\) para las nanopartículas de ZnO antes y después de la irradiación con \(1064 nm\) y \(532 nm\) ) láseres respectivamente. Estos resultados son aceptables debido a que la propia medida es sensible a la propiedad de aglomeración de las nanopartículas. Esto se confirmó a partir de los resultados obtenidos sin sonicación realizada en las muestras (Figs. 4a, 5a, 6a), que ha sido igual a \(939,8 nm\), \(1104,7 nm\) y \(14990,3 nm\) para las nanopartículas de ZnO antes de la irradiación y después de la irradiación con los láseres \(1064 nm\) y \(532 nm\) respectivamente. Se encontró que los tamaños obtenidos para las mismas nanopartículas son notablemente mayores que los obtenidos después de la sonicación. Además, la distribución exhibió dos poblaciones en lugar de una sola población como se muestra en (Figs. 4b, 5b, 6b). Esto se debe nuevamente a la aglomeración de las nanopartículas.

Resultados de las mediciones de distribución del tamaño de partícula para el polvo de ZnO puro sin y después de la sonicación.

Resultados de las mediciones de distribución del tamaño de partículas después de ser irradiadas con láser (1064 nm) para el polvo de ZnO sin y después de la sonicación.

Resultados de las mediciones de distribución del tamaño de partículas después de ser irradiadas con láser (532 nm) para el polvo de ZnO sin y después de la sonicación.

Los resultados de las mediciones de espectroscopia FTIR para las NP de ZnO se muestran en la Fig. 7. La importancia de estos espectros radica en la posibilidad de determinar el grupo funcional y los cambios vibratorios asociados con el movimiento de electrones que aparecen en números de onda específicos, lo cual es una característica característica de cada material y compuesto. También se realizó un análisis de los espectros FTIR para identificar las moléculas activas responsables de la inhibición y estabilización de las NPs. Los espectros FTIR de las NP de ZnO muestran un pico característico del enlace Zn-O en 645,9 cm−1. También muestra picos fuertes y amplios que reflejan la naturaleza compleja del estiramiento del enlace O–H, que se caracteriza por la alta absorción y el pico agudo en 3389,48 cm−1 (el grupo del alcohol). También se identificó un pico medio en 1637,78 cm−1 que indica el estiramiento C=C del alqueno. También se encuentran picos intensos en el rango 898,42—839,64 cm−1 que indican la existencia de grupos funcionales asociados con la flexión C=C del alqueno, 1548,27 cm−1 asociados con el enlace N–O que se estira como compuesto nitro y un pico medio en 1438,24 cm−1 que indica la flexión O–H como ácido carboxílico.

Los espectros de absorbancia FTIR para las NP de ZnO antes y después de las irradiaciones.

La Figura 8 muestra las imágenes AFM de las NP de ZnO en dos dimensiones antes (Fig. 8a), después de la irradiación con un láser con longitudes de onda de \(1064 nm\) (Fig. 8b), y después de la irradiación con un láser con longitudes de onda de \(532 nm\) (Fig. 8c). Las imágenes AFM muestran la existencia de diminutos granos de ZnO NP con rugosidad medible. Los granos también se congregan sobre ciertas áreas de la muestra investigada, mientras que otras áreas muestran el sustrato expuesto, lo que indica la tendencia de las NP a aglomerarse. La raíz significa que la rugosidad cuadrada de las nanopartículas no irradiadas e irradiadas con láseres \(1064 nm\) y \(532 nm\) son \(218 nm, 263 nm\) y \(316 nm\) respectivamente. La rugosidad promedio es \(170 nm, 193 nm\) y \(227 nm\) para las nanopartículas irradiadas y no irradiadas respectivamente (es decir, un aumento de la rugosidad promedio con la energía del rayo láser). Esto podría atribuirse al efecto del láser sobre la naturaleza de aglomeración de las NP. Esto también puede estar relacionado con los resultados de las mediciones de distribución del tamaño de partículas. Sin embargo, hay que referirse a las posibles fuentes de error relacionadas con la medición de la rugosidad utilizando el AFM (es decir, la dificultad de asegurar una distribución uniforme y equivalente de las NP de las tres nanopartículas investigadas en la superficie de los sustratos).

Las imágenes AFM de las NP de ZnO antes (a) y después de la irradiación con láser con una longitud de onda de 1046 nm (b) y 532 nm (c).

La Figura 9 muestra los resultados de la espectroscopia ultravioleta-visible (UV-Vis) del ZnO. Se sabe que las nanopartículas interactúan fuertemente con la luz en una determinada longitud de onda. La radiación UV es por tanto una herramienta eficaz para la identificación y caracterización de la estructura y absorción de las NPs. Como se muestra en la Fig. 9, el espectro exhibe un máximo cerca de la longitud de onda \(374 nm\) para las NP no irradiadas. Se observa un cambio en el espectro después de la irradiación con rayos láser que tienen una longitud de onda \(1064 nm\) de \(374 nm\) a \(378 nm\). Pero se observa un cambio en el espectro después de la irradiación con rayos láser que tienen una longitud de onda \(532 nm\) de \(374 nm\) a \(371 nm\). La inversión del sentido de desplazamiento en la absorción máxima se debe al efecto de la energía de irradiación sobre la estructura electrónica de las muestras.

Los espectros de las mediciones de espectroscopia ultravioleta-visible para las NP de ZnO antes (línea azul) y después de las irradiaciones (línea roja y verde).

El comportamiento óptico de los materiales es importante para determinar su uso en dispositivos optoelectrónicos y aplicaciones biomédicas. Las propiedades ópticas también pueden estar estrechamente relacionadas con la estructura atómica del material, la estructura de bandas electrónicas y las propiedades eléctricas. Una medición precisa de la constante óptica se puede realizar fácilmente en cristales inorgánicos en dichos cristales, la densidad fotónica de los estados y la distribución espacial del modo fotónico se pueden adaptar con gran precisión.

La medición de la absorción óptica cerca del borde de absorción fundamental es un método estándar para la estimación de la energía de banda prohibida. La dependencia del coeficiente de absorción óptica con la energía del fotón ayuda a estudiar la estructura de bandas y el tipo de transición de los electrones. Usando los datos de absorción, el coeficiente de absorción óptica \(\left( \alpha \right)\) se puede deducir aplicando la ley de Beer-Lambert29:

donde \(A\) es la absorbancia máxima, y ​​\(e\) es el espesor de la muestra \(\left( {e = 0.003 cm} \right)\).

La teoría de la absorción entre bandas muestra que el coeficiente de absorción cerca del umbral frente a la energía incidente viene dado por la siguiente relación de Pankove30:

donde \(B\) es el parámetro de probabilidad para la transición y \(E_{g}\) la energía del espacio óptico. Para transiciones directas permitidas, el coeficiente \(n\) es igual a \(\frac{1}{2}\) y para transiciones indirectas permitidas \(n = 2\). Debido a la brecha de banda directa, el cristal en estudio tiene un coeficiente de absorción \(\left( \alpha \right)\) que obedece a la siguiente relación para altas energías de fotones \( \left( {h\nu } \right)\) :

El valor de \(E_{g}\) correspondiente a las transiciones de banda prohibida directa se puede calcular a través de \(\left( {\alpha h\nu } \right)^{2}\) versus \( h\nu\) , utilizando la fórmula:

Los valores de \(E_{g}\) se estimaron a partir de la intersección de la parte lineal extrapolada de las curvas \(\left( {\alpha h\nu } \right)^{2}\) con el eje de energía. La Figura 10 muestra la variación de \(\left( {\alpha h\nu } \right)^{2}\) versus \( h\nu\) antes y después de la irradiación con rayos láser para ZnO NP.

Diagrama de Tauc para NP de ZnO antes (línea azul) y después de las irradiaciones (línea roja y verde).

Como puede verse en la Tabla 5, la brecha de banda de las NP de ZnO puro es \(3,3155 eV\), lo que concuerda con la brecha de banda del ZnO a granel. Mientras que la brecha de banda de las NP de ZnO después de las irradiaciones de \(1064 nm \) y \(532 nm\) se ha reducido a \(3,2804 eV\) y \(3,3423 eV\) respectivamente. Las irradiaciones láser proporcionan portadores adicionales que hacen que el nivel de Fermi se desplace hacia la banda de conducción. Por lo tanto, el ancho de la banda prohibida disminuye.

El índice de refracción \(\left( n \right)\) es un parámetro fundamental de los materiales ópticos que juega un papel muy importante en el diseño de dispositivos ópticos. Por lo tanto, controlar este parámetro en polímeros los hace prácticos para una variedad de aplicaciones industriales y médicas. De acuerdo con la relación empírica aplicable a diferentes variedades de compuestos propuesta por Reddy et al.31, el valor de banda prohibida se puede utilizar para calcular el índice de refracción de la siguiente manera:

Como se puede observar en la Tabla 5, la pequeña variación del valor del índice de refracción del ZnO, antes y después de la irradiación, indica que este compuesto es ópticamente estable y puede ser un candidato potencial para la fabricación de guías de onda en las que la luz se transfiere en la capa intermedia. por reflexión interna total. Esto solo ocurre cuando el índice de refracción de la capa intermedia es mayor que el de las capas circundantes.

La conductividad óptica \(\sigma_{opt}\) para una muestra de ZnO puro se calculó usando el coeficiente de absorción \(\alpha\), y los datos del índice de refracción \(n\) usando la siguiente relación32:

donde \(c\) es la velocidad de la luz en el espacio libre. \(n\) es el índice de refracción, y \(\alpha\) es el coeficiente de absorción.

Los valores de la conductividad óptica para las NP de ZnO, antes y después de la irradiación con rayos láser, están en el rango \(\left( {318 - 433} \right) \times 10^{10} s^{ - 1}\) . Como se puede observar en la Tabla 5, la variación de la conductividad óptica \(\left( {\sigma_{opt} } \right)\) en función de la energía de la irradiación láser muestra que este parámetro es proporcional al coeficiente de absorción \(\alpha\), a la energía de banda prohibida \(\left( {E_{g} } \right)\) ya la intensidad de absorbancia \(\left( A \right)\). A pesar de la deformación de la estructura electrónica por diferentes energías de irradiación, que tiene un efecto directo sobre todos los parámetros ópticos que tienen como origen la estructura electrónica, el ZnO presenta una buena estabilidad óptica de sus parámetros. Además, estos altos valores de la conductividad óptica de las NP de ZnO preparadas señalaron la superioridad del material para tales aplicaciones fotovoltaicas33.

El coeficiente de extinción es una medida de la fracción de luz perdida debido a la dispersión y absorción por unidad de distancia del medio de penetración. Se puede estimar a partir de los valores de \(\alpha\) y \(\lambda\) usando la relación:

El coeficiente de extinción en función de la energía del fotón se muestra en la Fig. 11. Se puede observar que el coeficiente de extinción de ZnO disminuye al aumentar la energía de irradiación (Tabla 5). La disminución del coeficiente de extinción con el aumento de la longitud de onda se puede correlacionar con el aumento de la transmitancia y la disminución del coeficiente de absorción. La disminución en el coeficiente de extinción con un aumento en la longitud de onda muestra que la fracción de luz perdida debido a la dispersión y la absorbancia disminuye. Esta propiedad se puede utilizar para implementar un conmutador totalmente óptico.

Gráfico de coeficiente de extinción calculado antes (línea azul) y después de la irradiación con rayos láser (línea roja y verde) para ZnO NP.

Los resultados mostraron la efectividad de las ZnO-NPs contra pseudomonas erógenas (bacterias gram negativas) y estafilococos (bacterias grampositivas) en todas las concentraciones utilizadas. la eficacia del antibiótico contra las bacterias diana. Como estudios anteriores mostraron el potencial de ZnO-NP para mejorar la eficacia de los antibióticos contra A. baumannii resistente a múltiples fármacos junto con su efecto sobre la permeabilidad de la membrana. Hasta donde sabemos, este es el primer informe sobre el mecanismo de acción de las ZnO-NP sobre la eficacia de los antibióticos ciprofloxacina y ceftazidima contra A. baumannii resistente. Las ZnO-NP solas y en combinación con ambos antibióticos demostraron ser efectivas en el control de A. baumannii. Además, el aumento de la actividad antibacteriana de la ceftazidima y la ciprofloxacina en presencia de ZnO-NP puede deberse al daño de la membrana y la acumulación de agentes antibacterianos en las células34. El mecanismo exacto de la acción antibacteriana de las ZnO-NP con antibióticos aún no se ha dilucidado claramente. Se ha sugerido que la actividad sinérgica entre los antibióticos convencionales y las NP se debe a la inhibición de la exportación de agentes antibacterianos al bloquear las bombas de salida o al mejorar la entrada de antibióticos en la célula al romper la membrana bacteriana35. Varios estudios previos concluyeron que las ZnO-NP pueden inducir genotoxicidad indirectamente al promover el estrés oxidativo o al atravesar directamente la membrana celular e interactuar con el ADN para dañar las cuatro bases o producir enlaces cruzados de timina-tirosina36 (ver Fig. 12).

Los resultados mostraron la eficacia de las ZnO-NP contra las bacterias.

El área de inhibición al usar ZnO-NP en un medio Mullar Hinton Agar contra pseudomonas erógenas (bacterias gram negativas) y estafilococos (bacterias gram positivas), que mostró la inhibición más alta cuando se usaron ZnO-NP tratadas con longitud de onda \(532 nm\) \(\left( {12 mm} \right)\), seguido de una longitud de onda de 1064 nm donde el área de inhibición fue (8 mm) y los resultados mostraron que la menor inhibición cuando se usaron ZnO-NP puros sin ningún tratamiento fue \( \izquierda( {4 mm} \derecha)\). Ver Fig.13 y Tabla 6 nuestros resultados están de acuerdo con esta fuente36.

Inhibición de ZnO-NPs puras, antes y después de la irradiación por láser con bacterias.

Sus efectos fueron más pronunciados en bacterias Gram-positivas que en bacterias Gram-negativas. De acuerdo con los hallazgos, se puede resumir que las ZnO-NP se consideran agentes antibacterianos efectivos contra bacterias Gram-positivas y Gram-negativas37.

Hasta donde sabemos, la estructura de la capa exterior de las bacterias Gram-positivas está compuesta de peptidoglicano; mientras tanto, las bacterias Gram-negativas están compuestas de fosfolípidos, y ambas experimentan diferentes interacciones cuando se exponen a ZnO-NP. Varios estudios sugirieron algunos posibles mecanismos antibacterianos de ZnO-NP; penetraron fácilmente en las células bacterianas y liberaron iones de zinc (Zn2+) que inhiben el transporte activo, las enzimas bacterianas requeridas para la actividad metabólica y finalmente indujeron la muerte celular debido a la enorme superficie reactiva de las NP. El otro propuso que la formación de especies reactivas de oxígeno (ROS) generadas a partir de la superficie de las NP conduce al estrés oxidativo y al posterior daño celular38.

De otra manera, su potencial efecto antibacteriano in vitro contra la infección por patógenos bacterianos más comunes de la tilapia del Nilo dirige nuestra visión de una posible aplicación in vivo para controlar los patógenos invasores y emergentes39.

Las NP de ZnO se sintetizaron con éxito mediante el método sol-gel. Las NP sintetizadas se irradiaron con láseres con longitudes de onda de \(1064 nm\) y \(532 nm\) para mejorar sus propiedades estructurales y ópticas. El análisis estructural y elemental de las NP enfatizó la formación de altos agregados de NP de ZnO de alta pureza en el rango \(42-46 nm\) con estructura cristalina hexagonal. Las nanopartículas de ZnO no muestran cambios en la orientación preferida después de la irradiación con láser, y no se observan picos adicionales después de la irradiación con láser que indiquen la alta calidad cristalina del material. Se observa un cambio en los espectros UV-Visible después de la irradiación debido al efecto de la irradiación en la estructura electrónica de las muestras. A pesar de la deformación de la estructura electrónica por diferentes energías de irradiación, que tiene un efecto directo sobre todos los parámetros ópticos que tienen como origen la estructura electrónica, el ZnO presenta una buena estabilidad óptica de sus parámetros que permite que el compuesto sintetizado sea un buen candidato para aplicaciones optoelectrónicas y fotónicas.

La irradiación de nanopartículas de ZnO por rayos láser de longitud de onda 1064 nm y 532 nm disminuye el tamaño de los cristalitos lo que aumenta su actividad antibacteriana.

Se encontró que la eficacia de los antibióticos ciprofloxacina y ceftazidima en bacterias gramnegativas y grampositivas mejoró con la adición de las NP de ZnO sintetizadas después de sus irradiaciones con rayos láser de 532 nm y con menos efecto para 1064 nm.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado.

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Laboratorio de Física Aplicada, Departamento de Física, Facultad de Ciencias de Sfax, Universidad de Sfax, Sfax, Túnez

Ghazouan Mahmood Abdelghani y Ali Ben Ahmed

Departamento de Ingeniería de Materiales, Universidad de Tecnología, Bagdad, Irak

Aseel Basim Al Zubaidi

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Correspondencia a Ali Ben Ahmed.

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Abdelghani, GM, Ahmed, AB & Al-Zubaidi, AB Síntesis, caracterización e influencia de la energía de irradiación en las propiedades ópticas de las nanoestructuras de ZnO. Informe científico 12, 20016 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-24648-x

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Recibido: 25 Agosto 2022

Aceptado: 17 de noviembre de 2022

Publicado: 21 noviembre 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-24648-x

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