Nanoparticules de Cuivre Pur via Modèle Bois : Synthèse, Caractérisation et Performance Antibactérienne

Résumé

L'architecture cellulaire complexe du peuplier offre un échafaudage renouvelable et rentable pour la synthèse de nanoparticules. Dans cette étude, nous avons réduit avec succès le chlorure de cuivre(II) dans du bois de peuplier, produisant des nanoparticules de cuivre de taille uniforme, cubiques à faces centrées et hautement stables. La diffraction des rayons X et la microscopie électronique à balayage à émission de champ confirment la structure cristalline et l'assemblage en épi de maïs le long des lumens cellulaires. Des pics d'absorption optique près de 565 nm et une activité antibactérienne prononcée contre Escherichia coli ont été observés, soulignant la multifonctionnalité du matériau hybride.

Contexte

Les nanoparticules métalliques ont capté un intérêt scientifique significatif en raison de leurs traits physicochimiques remarquables. L'argent et l'or, prisés pour leur résonance plasmonique et stabilité, restent coûteux, limitant l'usage à grande échelle. Le cuivre, abondant et peu coûteux, émerge comme alternative viable, offrant propriétés catalytiques, optiques, antibactériennes et conductrices. Réaliser ces bénéfices demande un contrôle précis sur la taille, la pureté et la forme du cuivre. Diverses voies de synthèse — réduction en phase solution, décomposition thermique, synthèse vapeur, méthodes radiatives, microémulsion, attrition mécanique, électrodéposition — ont été examinées. Parmi elles, la réduction en solution se distingue par sa polyvalence ; cependant, elle donne souvent des particules sphériques. Obtenir des morphologies distinctes nécessite généralement des modèles organiques ou inorganiques élaborés, coûteux et laborieux.

L'oxydation des nanoparticules de cuivre dans l'air ambiant mène à la formation de CuO en surface et à l'agrégation, compromettant la performance. Les stratégies conventionnelles l'atténuent en synthétisant sous atmosphères inertes ou en appliquant couches protectrices (polymères, ligands, carbone, graphène, métaux inertes). Ces approches, bien qu'efficaces, ajoutent complexité et exigences d'équipement.

La structure hiérarchique et anisotrope naturelle du bois présente un modèle attractif et peu coûteux. Son réseau poreux — de l'échelle nanométrique à micrométrique — permet une pénétration profonde des réactifs. Des travaux antérieurs ont utilisé le bois pour échafauder des gels réactifs et assembler des nanostructures ZnO, donnant des matériaux avec stabilité thermique supérieure, résistance UV et activité antibactérienne. Les composants lignocellulosiques du bois — cellulose, lignine, hémicellulose — contiennent d'abondants groupes hydroxyle et phénoliques qui peuvent réduire et stabiliser les ions métalliques, comme démontré par Lin et al. pour nanoparticules Pt et Ag. Néanmoins, les nanoparticules de cuivre synthétisées dans le bois ont souvent souffert d'oxydation, soulignant le besoin d'une approche plus robuste.

Ici, nous rapportons une méthode novatrice pour synthétiser des nanoparticules de cuivre pur à l'intérieur de bois de peuplier par réduction chimique. Le matériau hybride résultant présente un assemblage unique en épi de maïs le long des lumens cellulaires, haute stabilité, forte absorption optique et activité antibactérienne efficace.

Méthodes/Expérimental

Matériaux

Bois de cœur frais de Populus tomentosa (peuplier) coupé en blocs 50 × 50 × 5 mm³ (longitudinal) et séché au four à 103 °C jusqu'à poids constant. Chlorure de cuivre(II) dihydraté (CuCl₂·2H₂O) et borohydrure de sodium (NaBH₄) achetés chez Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd (Shanghai, Chine). Autres réactifs grade analytique de Beijing Chemical Reagents Co., Ltd (Pékin, Chine).

Préparation des Composites Bois/Cu

Le flux de fabrication est illustré Fig. 2. CuCl₂·2H₂O dissous dans l'eau et pH ajusté avec NaOH stœchiométrique. Échantillons bois d'abord immergés dans solution cuivre sous vide (~0,095 MPa) 30 min pour favoriser l'infiltration ionique, suivi trempage atmosphérique 2 h. Après rinçage, échantillons immédiatement submergés dans 200 mL solution NaBH₄ avec concentrations NaOH variables pendant 48 h. Enfin, composites lavés eau déionisée jusqu'à pH neutre, puis séchés au four 30 °C pendant 72 h. Formulations détaillées solutions Tableau 1.

Caractérisation des Nanostructures Cu

Diffraction rayons X (DRX) sur diffractomètre Bruker D8 Advance (Cu-Kα, λ = 0,15418 nm, 40 kV, 40 mA, 2θ = 5–90°, 2°/min). Microscopie électronique à balayage à émission de champ (MEB-CE, Hitachi SU8010) équipée spectromètre dispersif énergie rayons X (EDS, EX-350) pour examiner morphologie. Échantillons coupés longitudinalement, montés sur ruban conducteur, pulvérisés or, imagés à 5 kV.

Évaluation Propriétés Optiques et Antibactériennes

Spectres UV-VIS réflectance diffuse (Cary-300) enregistrés 800–300 nm sphère intégrante. Pour tests antibactériens, composites usinés disques 10 mm diamètre. Suspension bactérienne E. coli étalée gélose nutritive, disques posés surface (un témoin deux traités par plaque). Après 24 h incubation 37 °C, zones d'inhibition mesurées au 0,1 mm près.

Résultats et Discussion

Analyse Diffraction Rayons X

Figure 3a montre diagrammes DRX groupes A–D. Pics à 15,9°, 22,1°, 34,5° correspondent cellulose (101, 002, 040). Reflets nets à 43,3°, 50,4°, 74,1° proviennent Cu (111, 200, 220) confirment structure fcc (JCPDS No. 85–1326). Pics mineurs près 29,7°, 36,4°, 42,2°, 61,4° groupes A et B attribuables Cu₂O (110, 111, 200, 220). Ainsi, composition produit Cu fortement gouvernée par concentration OH⁻ initiale : à faible OH⁻, Cu et Cu₂O apparaissent ; à ≥1,0 mol L⁻¹, seul Cu métallique reste. Ajustement pH 10–12 via NaOH non seulement entraîne formation Cu(OH)₂ mais accélère réduction par NaBH₄ (perd pouvoir réducteur sous pH 9,5). Structure hiérarchique bois limite croissance particules, gardant taille grain constante même si concentration Cu²⁺ augmente.

Augmentation concentration Cu²⁺ (groupes C, E, F) intensifie pics diffraction Cu, confirmant charge nanoparticules plus élevée. Équation Scherrer utilisée pour estimer taille cristallite. En utilisant pics (110), (200), (220), diamètres moyens 19,5 nm (C), 19,7 nm (E), 21,3 nm (F) (Tableau 2), indiquant géométrie confinée bois retient croissance indépendamment charge Cu²⁺.

Après un an stockage ambiant, diagrammes DRX (Fig. 4) révèlent seulement pic CuO mineur à 38,9°. Tailles grains inchangées, soulignant résistance hybride à l'oxydation et l'agrégation — bénéfice direct de la matrice protectrice du bois et composants inhérents.

Analyse Morphologie

Images MEB-CE (Fig. 5) révèlent assemblage distinctif en épi de maïs de nanostructures Cu le long des lumens cellules bois. Parois lisses lumens (Fig. 1b) contrastent avec nanoparticules densément empilées, confirmé cartographie EDS (Fig. 6). L'échafaudage bois anisotrope dirige croissance, conférant ordre directionnel.

Dans les ponctuations bois, nanoparticules Cu forment agglomérats sphériques plus petits (1–2,5 µm) (Fig. 7). Ces morphologies confinées résultent géométrie ponctuations, démontrant que l'architecture bois peut dicter forme nanoparticules au-delà méthodes précipitation traditionnelles. Cet assemblage contrôlé pourrait permettre propriétés optiques et électriques sur mesure dans composites bois.

Propriétés Optiques et Antibactériennes

Spectres UV-VIS réflectance diffuse (Fig. 8) montrent pic plasmon prononcé à 565 nm matériaux hybrides, aligné bande absorption connue Cu NPs (560–570 nm). Intensité augmente avec teneur Cu, confirmant incorporation réussie cuivre métallique.

Essais antibactériens (Fig. 9) révèlent zones d'inhibition nettes tous échantillons traités versus témoin. Diamètres moyens zones inhibition : 0 mm (témoin), 3,2 mm (groupe C), 4,8 mm (groupe E), 6,2 mm (groupe F), démontrant effet antibactérien dépendant concentration Cu. Ces résultats affirment qu'incorporer nanoparticules cuivre dans bois confère activité antimicrobienne puissante sans compromettre intégrité structurelle bois.

Conclusions

En tirant parti de l'architecture hiérarchique, anisotrope du peuplier et de ses composants lignocellulosiques riches en électrons, nous avons produit des nanoparticules de cuivre pur avec arrangement distinctif en épi de maïs le long des lumens cellulaires. La fraction Cu₂O diminue quand la concentration OH⁻ initiale augmente, donnant cuivre métallique quasi pur. Le chargement Cu²⁺ incrémental augmente densité nanoparticules sans altérer taille grain, grâce à géométrie confinée du bois. La matrice bois protège le cuivre de l'oxydation et l'agrégation, assurant stabilité sur un an stockage ambiant. Combiné aux propriétés optiques et antibactériennes inhérentes du cuivre, ce matériau hybride offre une plateforme légère, rentable pour applications avancées à base de bois.