Sonikasiya supramolekulyar kimyada yeni yollar açır

Supramolekulyar kimya zəif, dönər qarşılıqlı təsirlərə əsaslanır: hidrogen rabitələri, π–π yığılması, van der Waals qüvvələri, solvofob təsirlər və xiral tanınma. Bu qarşılıqlı təsirlər molekulların liflər, çubuqlar, gellər, aqreqatlar və supramolekulyar polimerlər kimi daha böyük strukturlarda öz-özünə təşkil olunmasına imkan verir. Kimyaçılar və kimya mühəndisləri üçün çətinlik yalnız belə strukturları əmələ gətirmək deyil, həm də hansı strukturun əmələ gəldiyini, nə qədər sürətlə əmələ gəldiyini və kinetik olaraq ilişib qaldığını, yoxsa termodinamik baxımdan ən sabit vəziyyətə çatdığını idarə etməkdir.

Kimyada ultrasəs təsirləri: sonikasiya supramolekulyar öz-özünə yığılmanı idarə edir

Wehner və həmmüəlliflərinin (2020) Nature Communications jurnalında dərc olunmuş elmi tədqiqatı göstərir ki, ultrasəslə emal supramolekulyar kimyada öz-özünə yığılma yollarını idarə etmək üçün güclü xarici stimul kimi istifadə edilə bilər. Tədqiqatçılar xiral perilen bisimid molekullarının rasemik qarışığını araşdırmış və sonikasiyanın fərqli supramolekulyar polimorfların əmələ gəlməsini istiqamətləndirə bildiyini göstərmişlər. Ultrasəs şəraitindən asılı olaraq sistem kinetik olaraq idarə olunan konqlomeratlar və termodinamik baxımdan sabit rasemik supramolekulyar polimer daxil olmaqla, müxtəlif öz-özünə yığılmış strukturlar əmələ gətirmişdir. Tədqiqatda ultrasəslə emal üçün məhz 30 kHz, 50 W və 100% amplitudada işlədilən Hielscher UP50H ultrasəs prosessorundan istifadə edilmişdir.
Bu nəticə müasir materiallar kimyası üçün çox əhəmiyyətlidir, çünki ultrasəsin sadəcə qarışdırma və ya dispersləşdirmə vasitəsi olmadığını göstərir. Dəqiq müəyyən edilmiş şəraitdə sonikasiya molekulyar yolların idarə olunması üçün proses parametri rolunu oynaya bilər.

Kimyada ultrasəs təsirləri niyə əhəmiyyətlidir

Kimyada ultrasəs təsirləri əsasən akustik kavitasiya nəticəsində yaranır. Mayeyə yüksək intensivlikli ultrasəs verildikdə növbələşən təzyiq dövrləri mikroskopik kavitasiya qabarcıqları yaradır. Onların böyüməsi və çökməsi lokal yüksək enerjili şərait, intensiv mikroaxınlar, güclü kəsilmə qradiyentləri və səmərəli kütlə ötürülməsi yaradır. Kimyəvi proseslərdə və materialların emalında bu təsirlər nüvələnməyə, aqreqasiyaya, hissəciklərin əmələ gəlməsinə, dispersləşməyə, kristallaşmaya və öz-özünə yığılmaya təsir göstərə bilər.
Supramolekulyar kimyada bu, xüsusilə qiymətlidir, çünki bir çox sistem formalaşma yolundan asılıdır. Eyni molekul verilən enerjinin ardıcıllığından və intensivliyindən, temperaturdan, konsentrasiyadan, həlledicinin tərkibindən və zamandan asılı olaraq müxtəlif polimorflarda yığıla bilər. Sonikasiya struktur vahidinin molekulyar quruluşunu dəyişmədən sistemə mexaniki enerji verməyin idarə oluna bilən üsulunu təmin edir.
Kimya mühəndisləri üçün bu, həlledici üstünlükdür: ultrasəsin parametrləri təyin edilə bilər. Amplituda, güc, sonotrodun və reaktorun həndəsəsi, temperatur, qalma müddəti, təzyiq və axın sərfi tənzimlənə, izlənə və tətbiq imkanlarının sınaqlarından daha böyük emal həcmlərinə köçürülə bilər.

Öz-özünə yığılmanın idarə olunması üçün vasitə kimi sonikasiya

Tədqiqatda iki enantiomer perilen bisimid molekulunun rasemik qarışığının öz-özünə yığılması araşdırılmışdır. Müvafiq xarici stimul olmadıqda belə sistemlər üstünlük verilən aqreqasiya yolunu izləyə və ya metastabil vəziyyətlərdə ilişib qala bilər. İdarə olunan ultrasəslə emal tətbiq etməklə tədqiqatçılar müxtəlif supramolekulyar nəticələr əldə edə bilmişlər.
Əsas nəticə sadə, lakin təsirlidir: sonikasiya öz-özünə yığılma yolunu dəyişdirmişdir. Müəyyən temperatur və konsentrasiyalarda güclü ultrasəs bir aqreqat vəziyyətindən digərinə çevrilməni təşviq etmişdir. Kinetik sonikasiya şəraitində sistem supramolekulyar konqlomerat əmələ gətirmişdir. Termodinamik sonikasiya şəraitində isə fərqli morfologiyaya və daha yüksək sabitliyə malik rasemik supramolekulyar polimer əmələ gətirmişdir.
Elmi əhəmiyyət homoxiral və ya heteroxiral aqreqasiyanın üstünlük təşkil etməsinə təsir göstərmək imkanındadır. Sənaye baxımından əhəmiyyət daha geniş konsepsiyadadır: sonikasiya yalnız emalı sürətləndirməyə deyil, həm də molekulyar təşkilatlanmanı istiqamətləndirməyə kömək edə bilər.

Bu, aşağıdakılar üçün əhəmiyyətlidir:

• supramolekulyar polimerlər və funksional üzvi materiallar
• xiral aqreqasiya və rasematların enantiomerlərə ayrılması üzrə tədqiqatlar
• kristallaşma və polimorfların skrininqi
• nanoliflərin, nanoçubuqların və boya aqreqatlarının əmələ gəlməsi
• formulyasiyaların hazırlanması və qabaqcıl materialların emalı
• ultrasəsin köməyi ilə aparılan kimyəvi proseslərin miqyasının artırılması

Supramolekulyar kimyada Hielscher sonikatorlarının rolu

Eksperimental iş üçün ultrasəslə emal kompakt laboratoriya ultrasəs prosessoru olan Hielscher UP50H ilə aparılmışdır. UP50H kiçik laboratoriya nümunələri üçün nəzərdə tutulmuş 50 W, 30 kHz zond tipli sonikatordur və kimyəvi, bioloji, tibbi və analitik laboratoriyalarda istifadə olunur. Hielscher UP50H cihazını əldə tutaraq və ya ştativə bərkidərək işlətmək, həmçinin kiçik həcmli nümunələrin dispersləşdirilməsi, həll edilməsi, emulsiyalaşdırılması və homogenləşdirilməsi kimi işlər üçün uyğun cihaz kimi təsvir edir.
Bu tədqiqatda UP50H supramolekulyar aqreqatların çevrilməsini başlatmaq və istiqamətləndirmək üçün tələb olunan ultrasəs enerjisini təmin etmişdir. Bu, kimyaçılar üçün mühüm praktik məqamı göstərir: kiçik həcmli laboratoriya sonikasiyası yalnız qarışdırma, qızdırma və ya passiv yaşlandırma ilə müəyyən edilməsi çətin olan proses şəraiti intervallarını aşkara çıxara bilər.
Buna görə də supramolekulyar kimyada UP50H kimi zond tipli sonikatorlar yalnız nümunə hazırlamaq üçün deyil, həm də aktiv eksperimental dəyişən kimi istifadə edilə bilər. Sonikasiyanın temperaturunu və müddətini dəyişməklə tədqiqatçılar kinetik və termodinamik rejimləri araşdıra, aqreqasiya yollarını skrininqdən keçirə və metastabil və ya sabit polimorfları müəyyən edə bilərlər.
 

(R,R)- və (S,S)-PBI-nin rasemik qarışığının spektroskopik tədqiqatları. a (R,R)- və (S,S)-PBI-nin kimyəvi strukturları və (R,R)- və (S,S)-PBI-nin rasemik qarışığının ultrasəsin təsiri ilə Con-Agg 1 və Con-Agg 2 konqlomeratlarına və Rac-Agg 4 rasemik supramolekulyar polimerinə supramolekulyar polimerləşməsinin sxematik təsviri.
Tədqiqat və sxem: ©Wehner et al., 2020

Laboratoriya kəşfindən miqyası artırıla bilən ultrasəslə emala

Hielscher sonikatorlarının mühüm üstünlüklərindən biri bütün inkişaf zənciri boyunca ultrasəs avadanlıqlarının mövcudluğudur: kompakt laboratoriya cihazlarından masaüstü sistemlərə və sənaye ultrasəs prosessorlarına qədər. Hielscher laboratoriya miqyasından istehsal miqyasına qədər mayelərin emalı üçün ultrasəs cihazları və zondlar təklif edir; tətbiqlərə kimyəvi emal, hissəcik ölçüsünün kiçildilməsi, ekstraksiya, dispersləşdirmə və homogenləşdirmə daxildir.
Bu, əhəmiyyətlidir, çünki proses daha böyük miqyasda təkrarlana bilmədikdə bir çox perspektivli sonokimyəvi və ya supramolekulyar nəticə laboratoriyadan kənara çıxa bilmir. Hielscher şirkətinin ultrasəs proseslərinin işlənib hazırlanmasına yanaşması idarə oluna bilən parametrlərə və miqyası artırıla bilən avadanlıq konfiqurasiyalarına əsaslanır. Səmərəli ultrasəs prosesi üçün şərait intervalı müəyyən edildikdən sonra müvafiq enerji verilməsini və emal şəraitini qorumaqla proses daha böyük ultrasəs sistemlərinə köçürülə bilər.
Sənaye istifadəçiləri üçün bu o deməkdir ki, sonikasiya yalnız tədqiqat üsulu kimi deyil, həm də proses texnologiyası kimi nəzərdən keçirilə bilər.

Fasiləsiz kimyəvi emal üçün axın xəttində sonikasiya

Partiya üsulu ilə sonikasiya laboratoriya skrininqi və kiçik həcmlərin optimallaşdırılması üçün faydalıdır. Lakin kimyəvi istehsal çox vaxt fasiləsiz işləmə, təkrarlana bilmə və müəyyən edilmiş qalma müddətləri tələb edir. Hielscher ultrasəs sistemləri axın xəttində sonikasiyanı dəstəkləyir; bu zaman mayelər ultrasəs axın hüceyrəsindən və ya reaktordan nasosla keçirilir və idarə olunan şəraitdə kavitasiya sahəsinin təsirinə məruz qalır.
Axın xəttində sonikasiya tək keçid və ya resirkulyasiya rejimində aparıla bilər və mayenin ultrasəslə emal zonasından bir dəfə və ya bir neçə dəfə keçməsinə imkan verir. Hielscher bildirir ki, laboratoriya və masaüstü qurğulardan tam sənaye miqyasına qədər ultrasəs prosessorları həm partiya üsulu ilə emal, həm də axın xəttində fasiləsiz emal üçün mövcuddur.

Supramolekulyar kimya və kimya mühəndisliyi üçün axın xəttində sonikasiya bir sıra üstünlüklər təklif edir:

• kavitasiya zonasında idarə olunan qalma müddəti
• nəzarətsiz partiya qarışdırılması ilə müqayisədə daha yaxşı təkrarlana bilmə
• axın hüceyrələri və xarici soyutma vasitəsilə istiliyin daha yaxşı idarə olunması
• daha böyük həcmlər üçün fasiləsiz emal
• mövcud kimyəvi istehsal xətlərinə daha asan inteqrasiya
• axın sərfini, amplitudanı və reaktor konfiqurasiyasını tənzimləməklə miqyası artırıla bilən emal intensivliyi

Formalaşma yolundan asılı kimyəvi sistemlərdə bu parametrlər həlledici ola bilər. Əgər supramolekulyar sistem qısa, intensiv sonikasiyaya uzunmüddətli zəif sonikasiyadan fərqli reaksiya verirsə, axın xəttində emal həmin təsiri müəyyən etmək və təkrarlamaq üçün mühəndislik bazasını təmin edir.

Miqyasın xətti artırılması: sonokimyəvi skrininqdən istehsala

Hielscher ultrasəs texnologiyası laboratoriya sınaqlarından sənaye emalına qədər miqyasın artırılması üçün nəzərdə tutulmuşdur. Böyük sistemlər üçün amplituda, təzyiq və temperatur kimi proses parametrləri daha kiçik qurğularda optimallaşdırıla və sonra daha yüksək emal məhsuldarlığına malik avadanlıqlara köçürülə bilər. Hielscher optimal parametr konfiqurasiyası müəyyən edildikdən sonra ultrasəs prosesinin səmərəliliyinin xətti şəkildə miqyaslandırıla bildiyini bildirir.
Miqyasın xətti artırılması imkanı həssas supramolekulyar sistemlərlə işləyən kimyaçılar və proses mühəndisləri üçün xüsusilə vacibdir. Öz-özünə yığılmış materiallar çox vaxt proses şəraitinin dar intervallarından asılıdır. Qarışdırma intensivliyində, qalma müddətində, temperatur profilində və ya enerji sıxlığında dəyişiklik məhsulun morfologiyasını dəyişə bilər. Miqyası artırıla bilən ultrasəs sistemləri proses millilitrlərdən litrlərə və nəhayət, istehsal miqyaslı axın sərflərinə keçərkən müəyyən edilmiş sonikasiya şəraitini qoruyaraq bu riski azaltmağa kömək edir.
Hielscher həmçinin yüksək emal məhsuldarlığı ilə axın xəttində sonikasiya üçün MultiSonoReactor kimi sənaye axın xətti reaktorları təklif edir. Bu sistemlər homogenləşdirmə, qarışdırma, dispersləşdirmə, ekstraksiya və sonokimyəvi reaksiyalar daxil olmaqla müxtəlif tətbiqlər üçün nəzərdə tutulmuşdur.

Ultrasəslə sintez edilmiş supramolekulyar polimorfların elmi və sənaye əhəmiyyəti

Ultrasəslə idarə olunan supramolekulyar polimorfizm üzrə tədqiqat əhəmiyyətlidir, çünki kimyada ultrasəs təsirlərindən eyni molekulyar sistemdən müxtəlif material vəziyyətləri əldə etmək üçün necə istifadə oluna biləcəyini göstərir. Tədqiqatçılar molekulu dəyişmək əvəzinə proses şəraitini dəyişmişlər. Sonikasiya məhz bu məqamda sənaye kimyası üçün cəlbedici olur: əlavə sintez mərhələləri əvəzinə prosesin intensivləşdirilməsi yolu ilə nəticələri yaxşılaşdıra bilər.
Elmi tədqiqatlar üçün bu nəticələr xiral öz-özünə yığılma, kinetik ilişib qalma, termodinamik idarəetmə və supramolekulyar enerji landşaftlarının daha dərindən başa düşülməsinə töhfə verir. Sənaye üçün eyni prinsiplər polimorfların daha yaxşı skrininqini, funksional materialların daha sürətli hazırlanmasını, aqreqat morfologiyasına daha yaxşı nəzarəti və qabaqcıl kimyəvi sistemlərin daha təkrarlana bilən emalını dəstəkləyə bilər.

Praktik baxımdan sonikasiya kimyaçılara və kimya mühəndislərinə aşağıdakılarda kömək edə bilər:

• öz-özünə yığılma çevrilmələrini sürətləndirmək
• başqa üsullarla əlçatmaz olan aqreqasiya yollarını təşviq etmək
• formalaşma yolundan asılı sistemlərdə təkrarlana bilməni yaxşılaşdırmaq
• tarazlığın yaranması üçün uzun müddətlərə ehtiyacı azaltmaq
• məhsulun kinetik və termodinamik vəziyyətlərini skrininqdən keçirmək
• perspektivli laboratoriya nəticələrini axın xətti proseslərinə köçürmək

Ultrasəslə emal imkan yaradan texnologiya kimi

Güclü ultrasəs supramolekulyar kimya üçün imkan yaradan texnologiyadır. Akustik enerjinin idarə olunan şəkildə verilməsi mürəkkəb sistemlərin molekulyar təşkilatlanmasına təsir göstərə və yalnız adi qarışdırma və ya termik emalla əldə edilməsi çətin olan strukturlara çıxış yarada bilər.
İstinad edilən tədqiqat Hielscher UP50H ilə dəqiq laboratoriya sonikasiyasının fundamental supramolekulyar tədqiqatlar üçün dəyərini nümayiş etdirir. Hielscher şirkətinin daha böyük masaüstü və sənaye sonikatorları ilə eyni texnologiya platforması prosesin optimallaşdırılmasına, axın xəttində emala və miqyasın xətti artırılmasına doğru genişləndirilə bilər.
Kimyaçılar üçün bu, öz-özünə yığılma və polimorfların idarə olunmasında yeni eksperimental yollar açır. Kimya mühəndisləri üçün isə kimyada ultrasəs təsirlərini etibarlı istehsal strategiyalarına çevirmək üçün miqyası artırıla bilən proses vasitəsi təmin edir.

Aşağıdakı cədvəl ultrasəs cihazlarımızın təxmini emal gücü haqqında təsəvvür yaradır:

Layihələndirmə, istehsal və məsləhət xidmətləri – Almaniyada istehsal olunan keyfiyyət

Hielscher ultrasəs cihazları ən yüksək keyfiyyət və layihələndirmə standartları ilə tanınır. Möhkəmlik və asan istismar ultrasəs cihazlarımızın sənaye müəssisələrinə problemsiz inteqrasiyasına imkan verir. Hielscher ultrasəs cihazları ağır şəraitdə və yüksək tələblər qoyan mühitlərdə asanlıqla işləyir.

Hielscher Ultrasonics ISO sertifikatlı şirkətdir və ən müasir texnologiya və istifadə rahatlığı ilə seçilən yüksək məhsuldarlıqlı ultrasəs cihazlarına xüsusi diqqət yetirir. Əlbəttə, Hielscher ultrasəs cihazları CE tələblərinə uyğundur və UL, CSA və RoHs tələblərinə cavab verir.

Ədəbiyyat / İstinadlar

• Wehner, M., Röhr, M.I.S., Stepanenko, V. et al. (2020): Control of self-assembly pathways toward conglomerate and racemic supramolecular polymers. Nature Communications 11, 5460 (2020).
• Rutgeerts LAJ, Soultan AH, Subramani R, Toprakhisar B, Ramon H, Paderes MC , De Borggraeve WM, Patterson J (2019): Robust scalable synthesis of a bis-urea derivative forming thixotropic and cytocompatible supramolecular hydrogels. Chem Commun (Camb). 2019 Jun 20;55(51):7323-7326.
• Subhankar Paul and Sailendra Mahanta (2015): Preparation and Characterization of Self-Assembled Graphene Oxide Supramolecular Structures. Journal of Medical and Bioengineering, Vol. 4, No. 6, pp. 480-483, December 2015.
• F. Portone, M. Amorini, M. Montanari, R. Pinalli, A. Pedrini, R.V erucchi, R. Brighenti, E. Dalcanale (2023): Molecular Auxetic Polymer of Intrinsic Microporosity via Conformational Switching of a Cavitand Crosslinker. Advanced Functional Materials 2023, 33, 2307605.