Structural, Optical, and Antimicrobial Characterization of Cr2O3 Nanoparticles Prepared by Pulsed Laser Ablation

Editorial Board PCSS Journal; М.М. Мават; А.Н. Мохамед; М.Х. Разак; Дж. Ф. Ода

doi:10.15330/pcss.27.2.440-448

Автор(и)

М.М. Мават Університет науки Аль-Карх, Коледж наук, Багдад, Ірак
А.Н. Мохамед Університет Аль-Мутанна, Коледж наук, кафедра фізики, Аль-Мутанна, Ірак
М.Х. Разак Технологічний університет, Центр екологічних досліджень, Багдад, Ірак
Дж. Ф. Ода Університет науки Аль-Карх, Коледж наук, Багдад, Ірак

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.27.2.440-448

Ключові слова:

антимікробна активність, PLA, наночастинки оксиду хрому, оптична ширина забороненої зони, структурна характеристика

Анотація

У даному дослідженні наночастинки оксиду хрому (Cr₂O₃) синтезовано методом імпульсної лазерної абляції в рідині (PLAL), який є простим, економічно ефективним методом отримання наноматеріалів високої чистоти. Структурні характеристики Cr₂O₃ досліджували методом Х-променевої дифракції (XRD), а результати показали утворення чистої фази есколаїту Cr₂O₃ з ромбоедричною кристалічною структурою. Дослідження методом сканувальної електронної мікроскопії (SEM) показали, що при низьких енергіях лазера (300–400 мДж) процес сприяє утворенню менших та більш диспергованих частинок, оскільки енергії достатньо для абляції, але недостатньо для масштабного злиття частинок. Натомість вищі енергії лазера (500–600 мДж) призводять до формування більших частинок із підвищеною агрегацією, що, ймовірно, пов’язано з більшим тепловим внеском, посиленою дифузією та повторною нуклеацією наночастинок у рідкому середовищі. Оптичні дослідження показали незначне збільшення ширини забороненої зони зі зростанням потужності лазера, що пояснюється зсувом Бурштейна-Мосса, при якому рівень Фермі зміщується в зону провідності, змінюючи електронні переходи. Аналіз антибактеріальної активності підтвердив ефективність наночастинок щодо Klebsiella pneumoniae, Escherichia coli та Staphylococcus epidermidis. Водночас спостерігалася інша взаємодія між наночастинками оксиду хрому та клітинною структурою таких мікроорганізмів, як Candida albicans і Staphylococcus aureus, що проявлялося у зниженні їх антимікробної активності.

Посилання

J. Iqbal, B. A. Abbasi, A. Munir, S. Uddin, S. Kanwal, & T. Mahmood, Facile green synthesis approach for the production of chromium oxide nanoparticles and their different in vitro biological activities. Microscopy research and technique, 83(6), 706‏ (2020); https://doi.org/10.1002/jemt.23460.

S. Ghotekar, S. Pansambal, M. Bilal, S.S. Pingale, & R. Oza, Environmentally friendly synthesis of Cr2O3 nanoparticles: characterization, applications and future perspective─ a review. Case Studies in Chemical and Environmental Engineering, 3, 100089 (2021); https://doi.org/10.1016/j.cscee.2021.100089.

B. M. Abu-Zied, Structural and catalytic activity studies of silver/chromia catalysts. Applied Catalysis A: General, 198(1-2), 139‏ (2000). https://doi.org/10.1016/S0926-860X(99)00508-6.

O. Muller, M. Guerchoux, P. Gibot, L. Merlat, & D. Spitzer, Optical limiting and nonlinear optical properties of Cr2O3 and WO 3 based polymer nanocomposites. Optics Continuum, 1(11), 2389 (2022);‏‏ https://doi.org/10.1364/OPTCON.474445.

P. Gibot, & L. Vidal, Original synthesis of chromium (III) oxide nanoparticles. Journal of the European Ceramic Society, 30(4), 911‏ (2010); https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2009.09.019.

H. Kitsunai, K. Hokkirigawa, N. Tsumaki, & K. Kato, Transitions of microscopic wear mechanism for Cr2O3 ceramic coatings during repeated sliding observed in a scanning electron microscope tribosystem. Wear, 151(2), 279 (1991); https://doi.org/10.1016/0043-1648(91)90255-S.

S.A. Khan, S. Shahid, S. Hanif, H.S. Almoallim, S.A. Alharbi, & H. Sellami, Green synthesis of chromium oxide nanoparticles for antibacterial, antioxidant anticancer, and biocompatibility activities. International Journal of Molecular Sciences, 22(2), 502. (2021); ‏https://doi.org/10.3390/ijms22020502.

S. A. Rakesh, & N.M.M. Gowda, Synthesis of Chromium (III) Oxide Nanoparticles by Electrochemical Method and Mukia Maderaspatana Plant Extract, Characterization, KMnO4 Decomposition and Antibacterial Study. Imperial Journal of Interdisciplinary Research, (37), (2016); https://doi.org/10.4236/mrc.2013.24018.

H. Zeng, X.W. Du, S.C. Singh, S.A. Kulinich, S. Yang, J.He, & W. Cai, Nanomaterials via laser ablation/irradiation in liquid: a review. Advanced Functional Materials, 22(7), 1333 (2012); https://doi.org/10.1002/adfm.201102295.

PP Patil, DM Phase, SA Kulkarni, SV Ghaisas, SK Kulkarni, SM Kanetkar, SB Ogale, VG Bhide. Pulsed-laser-induced reactive quenching at liquid-solid interface: Aqueous oxidation of iron. Phys Rev Lett. 1987 Jan 19; 58(3), 238(1987); https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.58.238.

G.W. Yang, Laser ablation in liquids: Applications in the synthesis of nanocrystals. Progress in Materials Science, 52(4), 648(2007); https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2006.10.016.

M.H. Mahdieh, & A. Khosravi, Colloidal brass nanoparticles produced by pulsed laser ablation in deionized water and the effect of external electric field on particle size characteristics and ablation rate. Nano-Structures & Nano-Objects, 24, 100580 (2020); https://doi.org/10.1016/j.nanoso.2020.100580.

R. C. Forsythe, C.P. Cox, M. K.Wilsey, & A.M. Muller, Pulsed laser in liquids made nanomaterials for catalysis. Chemical Reviews, 121(13), 7568 (2021); https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c01069.

E. Fazio, B. Gökce, A. De Giacomo, M. Meneghetti, G. Compagnini, M. Tommasini, ... & F. Neri, Nanoparticles engineering by pulsed laser ablation in liquids: Concepts and applications. Nanomaterials, 10(11), 2317(2020);‏ https://doi.org/10.3390/nano10112317.

H. Naser, H. M. Shanshool, & K.I. Imhan, Parameters affecting the size of gold nanoparticles prepared by pulsed laser ablation in liquid. Brazilian Journal of Physics, 51(3), 878 (2021); https://doi.org/10.1007/s13538-021-00875-x.

J.Xiao, P. Liu, C. X. Wang, & G.W. Yang, External field-assisted laser ablation in liquid: An efficient strategy for nanocrystal synthesis and nanostructure assembly. Progress in Materials Science, 87, 140 (2017); https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2017.02.004.

J. Zhang, J. Claverie, M. Chaker, & D. Ma, Colloidal metal nanoparticles prepared by laser ablation and their applications. ChemPhysChem, 18(9), 986 (2017);‏ https://doi.org/10.1002/cphc.201601220.

B. Jaleh, M. Nasrollahzadeh, B.F. Mohazzab, M. Eslamipanah, M. Sajjadi, & H. Ghafuri, State-of-the-art technology: Recent investigations on laser-mediated synthesis of nanocomposites for environmental remediation. Ceramics International, 47(8), 10389(2021); https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.12.197.

A. Subhan, A.H.I.Mourad, & Y. Al-Douri, Influence of laser process parameters, liquid medium, and external field on the synthesis of colloidal metal nanoparticles using pulsed laser ablation in liquid: A review. Nanomaterials, 12(13), 2144‏ (2022); https://doi.org/10.3390/nano12132144.

M. Honda, T. Goto, T. Owashi, A. G. Rozhin, S. Yamaguchi, T. Ito, & S.A. Kulinich, ZnO nanorods prepared via ablation of Zn with millisecond laser in liquid media. Physical Chemistry Chemical Physics, 18(34), 23628 (2016); https://doi.org/10.1039/c6cp04556a.

T.M. Rashid, U.M. Nayef, M.S. Jabir, & F.A.H. Mutlak, Synthesis and characterization of Au: ZnO (core: shell) nanoparticles via laser ablation. Optik, 244, 167569‏ (2021); https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2021.167569.

A. Al-Kattan, D. Grojo, C. Drouet, A. Mouskeftaras, P. Delaporte, A. Casanova, ... & J. Hermann, Short-pulse lasers: A versatile tool in creating novel nano-/micro-structures and compositional analysis for healthcare and wellbeing challenges. Nanomaterials, 11(3), 712 (2021); https://doi.org/10.3390/nano11030712.

A.B. Khelifa, A. Soum-Glaude, S. Khamlich, H. Glénat, M. Balghouthi, A. A. Guizani,... & W. Dimassi, Optical simulation, characterization and thermal stability of Cr2O3/Cr/Cr2O3 multilayer solar selective absorber coatings. Journal of Alloys and Compounds, 783, 533‏ (2019); https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.12.286.

M.G. Tsegay, H.G. Gebretinsae, G.G. Welegergs, M. Maaza, & Z.Y. Nuru, Novel green synthesized Cr2O3 for selective solar absorber: Investigation of structural, morphological, chemical, and optical properties. Solar Energy, 236, 308 (2022); https://doi.org/10.1016/j.solener.2022.03.011.

J. Singh, V. Verma, & R. Kumar, Preparation and structural, optical studies of Al substituted chromium oxide (Cr2O3) nanoparticles. Vacuum, 159, 282‏‏ (2019); https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2021.01.007.

V.D. Mote, Y. Purushotham, & B.N. Dole, Williamson-Hall analysis in estimation of lattice strain in nanometer-sized ZnO particles. Journal of theoretical and applied physics, 6, 1 (2012); https://doi.org/10.1186/2251-7235-6-6.

P. Bhardwaj, J. Singh, R. Kumar, R. Kumar, & V. Verma, Structural, optical and magnetic characterization of Ni2+ ions doped chromium oxide (Cr2O3) nanoparticles. Solid State Sciences, 115, 106581 (2021);‏ https://doi.org/10.1016/j.solidstatesciences.2021.106581.

A.K. Rana, Y. Kumar, P. Rajput, S.N. Jha, D. Bhattacharyya, & P.M. Shirage, Search for origin of room temperature ferromagnetism properties in Ni-doped ZnO nanostructure. ACS Applied Materials & Interfaces, 9(8), 7691 (2017); https://doi.org/10.1021/acsami.6b12616.

S. Muthukumaran, & R. Gopalakrishnan, Structural, FTIR and photoluminescence studies of Cu doped ZnO nanopowders by co-precipitation method. Optical Materials, 34(11), 1946 (2012); https://doi.org/10.1016/j.optmat.2012.06.004.

A.A. Myint, H.W. Lee, B. Seo, W.S. Son, J. Yoon, T.J. Yoon, ... & Y.W. Lee, One pot synthesis of environmentally friendly lignin nanoparticles with compressed liquid carbon dioxide as an antisolvent. Green Chemistry, 18(7), 2129 (2016);‏ https://doi.org/10.1039/C5GC02398J.

H. Wang, W. Han, X. Li, B. Liu, H. Tang, & Y. Li, Solution combustion synthesis of Cr2O3 nanoparticles and the catalytic performance for dehydrofluorination of 1, 1, 1, 3, 3-pentafluoropropane to 1, 3, 3, 3-tetrafluoropropene. Molecules, 24(2), 361(2019);‏ https://doi.org/10.3390/molecules24020361.

A.O. El-Gendy, Y. Obaid, E. Ahmed, C.S. Enwemeka, M. Hassan, & T. Mohamed, The antimicrobial effect of gold quantum dots and femtosecond laser irradiation on the growth kinetics of common infectious eye pathogens: an in vitro study. Nanomaterials, 12(21), 3757. (2022); https://doi.org/10.3390/nano12213757.

K. Wantana, P. Aniwat, S. Bunlue, T. Alongkot, K. Anusit, & K. Pisist, Study of thin film coating technique parameters for low cost organic solar cells fabrication. Materials Today: Proceedings, 4(5), 6626‏ (2017); https://doi.org/10.1016/j.matpr.2017.06.177.

E. Sadri, & F. Ashrafizadeh, Structural characterization and mechanical properties of plasma sprayed nanostructured Cr2O3-Ag composite coatings. Surface and Coatings Technology, 236, 91 (2013); https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2013.09.033.

C.S. Vall, M. Chaik, A. Tchenka, S. Hnawi, A. Mellalou, M. Aggour, & A. Outzourhit, Effect of chromium percentage doping on the optical, structural, morphological and electrical properties of ZnS: Cr thin films, Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, 130, 114694‏ (2021); https://doi.org/10.1016/j.physe.2021.114694.

J. Kaur, M. Sharma, O.P. Pandey, Photoluminescence and photocatalytic studies of metal ions (Mn and Ni) doped ZnS nanoparticles. Optical Materials, 47, 7 (2015);‏ https://doi.org/10.1016/j.optmat.2015.06.022.

S.M. Dizaj, F. Lotfipour, M. Barzegar-Jalali, M. H. Zarrintan, & K. Adibkia, Antimicrobial activity of the metals and metal oxide nanoparticles. Materials Science and Engineering: C, 44, 278 (2014); https://doi.org/10.1016/j.msec.2014.08.031.

P.O.O.N.A.M. Sangwan, & H. Kumar, Synthesis, characterization, and antibacterial activities of chromium oxide nanoparticles against Klebsiella pneumoniae. Synthesis, 10(2) (2017); https://doi.org/10.22159/ajpcr.2017.v10i2.15189.

A. Azam, A.S. Ahmed, M. Oves, M.S. Khan, S.S. Habib, & A. Memic, Antimicrobial activity of metal oxide nanoparticles against Gram-positive and Gram-negative bacteria: a comparative study. International journal of nanomedicine, 6003 (2012);‏ https://doi.org/10.2147/IJN.S35347.

L.E. Garcia-Marin, K. Juarez-Moreno, A.R. Vilchis-Nestor, & E. Castro-Longoria, Highly antifungal activity of biosynthesized copper oxide nanoparticles against Candida albicans. Nanomaterials, 12(21), 3856‏ (2022); https://doi.org/10.3390/nano12213856.

H. Algadi, M.A. Alhoot, A.R. Al-Maleki, & N. Purwitasari, Effects of Metal and Metal Oxide Nanoparticles against Biofilm-Forming Bacteria: A systematic Review. Journal of Microbiology and Biotechnology, 34(9), 1748.‏ (2024); https://doi.org/10.4014/jmb.2403.03029.