Свръхмолекулни структури, сглобени чрез соникация
Соникацията е мощен и универсален инструмент в супрамолекулярната химия, който позволява прецизен контрол върху нековалентните процеси на сглобяване, които често са чувствителни към кинетичните и термодинамичните параметри. Прилагането на мощен ултразвук към течна среда влияе на молекулните взаимодействия, като ускорява самосглобяването, засилва смесването и насърчава структурната реорганизация в наномащаб.
Как соникацията влияе върху сглобяването на надмолекулни структури
В свръхмолекулните системи, където слабите взаимодействия, като например водородните връзки, π-π подреждането, металната координация и силите на Ван дер Ваалс, управляват формирането на структурата, ултразвукът може селективно да повлияе на пътищата на сглобяване. Той дава възможност за хомогенно зараждане, подпомага дисперсията на градивните елементи и улеснява образуването на метастабилни или кинетично уловени архитектури, които често са недостъпни при конвенционални условия. Освен това сонирането може да модулира равновесието между сглобени и разглобени състояния, предлагайки динамично средство за контрол на обратими надмолекулни системи.
Освен физичните си ефекти, сонохимията осигурява екологично чист и енергийно ефективен подход. – често се извършват при условия без разтворители или при леки условия – което го прави привлекателен за синтез на супрамолекулярни гелове, нановлакна, комплекси "домакин-гост" и хибридни наноструктури. В резултат на това сонирането е не само техника за подготовка на проби, но и централен механохимичен двигател при рационалното проектиране и обработка на надмолекулни материали.
Соникатор UP400ST за ефективен синтез на надмолекулни структури
Ултразвуково стимулиран синтез на свръхмолекули
Соникацията може да стимулира образуването, стабилизирането или преобразуването на широк спектър от надмолекулни системи чрез акустична кавитация, преходни градиенти на срязване и микроструйни въздействия. Следващите категории илюстрират типични структури, получени или повлияни от ултразвуково подпомогнато самосглобяване:
- Свръхмолекулярни комплекси домакин-гост
Включващи комплекси с циклодекстрин
Системи "домакин-гост" на базата на Cucurbituril
Сглобки от каликсарен и стълб[5]арен
Механично свързани молекули (ротаксани, катенани) - Свръхмолекулен графенов оксид и 2D хибриди
- π-π подредени графенов оксид-хромофорни комплекси
- Хибриди от графенов оксид и полимерни супрамолекули
- Нековалентно функционализиране с порфирини, фулерени или пептиди
- Свръхмолекулярни нановлакна и нанотръби
- Пептидни амфифилни нановлакна
- π-конюгирани нановлакна (напр. производни на перилен бисимид, порфирин или цианин)
- Нанотръби с водородна връзка или π-π подредени
- Свръхмолекулни гелове (соногелове)
- Органогелове и хидрогелове, задействани или стабилизирани от ултразвук
- Преходи на сол-гел, предизвикани от локализирано нагряване и срязване
- Обратими надмолекулни мрежи (Н-свързани, метал-лиганд или йонни)
- Свръхмолекулни агрегати и конгломерати
- Мицели и везикули, образувани от амфифилни молекули
- Коацервати и колоидни сглобки
- ХИРАЛНИ КОНГЛОМЕРАТИ И ПОЛИМФОРФНИ СЪСТАВКИ, повлияни от вложената ултразвукова енергия
- Свръхмолекулярни нанопънки и порести рамки
- Наноспонги на основата на циклодекстрин
- Сонохимично генерирани металоорганични рамки (MOFs) и ковалентни органични рамки (COFs)
- Порести надмолекулни мрежи, използвани за катализ или зареждане с лекарства
- Други надмолекулни архитектури, реагиращи на ултразвук
- Свръхмолекулярни капсули и нанокапсиди
- Самосглобени монослоеве (SAM) и многослойни слоеве
- ДНК-базирани супрамолекулни структури
- Координационни полимери и металогели
(Проучване и филм: Rutgeerts et al., 2019)
Ултразвукови приложения при сглобяване на свръхмолекули
Ултразвукът влияе върху супрамолекулното самосглобяване чрез механични, термични и кавитационни ефекти.
Тези ключови процеси включват:
- Емулгиране и образуване на наноемулсии
- Улеснява супрамолекулярното капсулиране в системи масло/вода
- Подпомага хомогенното смесване на несмесващи се фази
- Намаляване на размера на частиците и деагрегация
- Разбиване на по-големи надмолекулни агрегати или кристали
- Контролира морфологията и полидисперсността
- Дисперсия и хомогенизация
- Подобрява диспергирането на наночастици или надмолекулни градивни блокове в разтворители
- Подобрява равномерността при образуването на гел или хибриден материал
- Подобряване на капсулирането и комплексирането
- Ускорява включването на гости в циклодекстрини или мицеларни системи
- Подпомага образуването на нанокапсули за доставка на лекарства или катализ
- Сплитане на влакна / намаляване на дължината
- Съкращаване на пептидни или полимерни нановлакна чрез кавитационно срязване
- Контролирано фрагментиране на надмолекулни нишки и нанотръбички
- Кристализация и контрол на полиморфите
- Ултразвуково асистирано нуклеиране за контролиран кристален растеж
- Генериране на метастабилни или кинетично благоприятни супрамолекулни полиморфи
- Омрежване и формиране на мрежи
- Предизвиква реорганизация на връзките във водородно свързани мрежи или мрежи от метали и лиганди
- Инициира образуването на супрамолекулярни метало-органични рамки (MOFs)
- Подпомага образуването на надмолекулни хидрогелове и соногелове
- Сонохимично активиране и функционализиране
- Инициира реакции за надмолекулна модификация
- Позволява нековалентно прикрепване на функционални молекули към гостоприемни скелети
- Разграждане и обратимо разглобяване
- Ултразвукова енергия, използвана за обратимо разглобяване на супрамолекулни конструкции
- Контролирано освобождаване на капсулирани видове при ултразвукова стимулация
Вземете най-добрия соникатор за свръхмолекули
Соникаторите на Hielscher са високоефективни ултразвукови системи от сондов тип, специално проектирани за прецизно доставяне на енергия в течнофазни процеси, което ги прави изключително подходящи за сонохимично и надмолекулно сглобяване на сложни архитектури. Прецизният контрол на амплитудата, времето, режима на импулсите и температурата им позволява възпроизводима динамика на кавитацията, като подпомага ефективното смесване, подобрения масообмен и активирането на нековалентни взаимодействия, които са от съществено значение за супрамолекулярната организация. В сонохимията подобна контролирана акустична кавитация може да ускори самосглобяването, да улесни комплексообразуването между гостоприемници и да повлияе на морфологията или стабилността на надмолекулни агрегати. Надеждността, мащабируемостта и цифровото наблюдение на процесите на устройствата на Hielscher допълнително позволяват фино настройване на условията на реакцията от малки лабораторни експерименти до промишлен синтез, което свързва фундаменталните надмолекулни изследвания с приложното производство на материали.
Таблицата по-долу ви дава представа за приблизителния капацитет на обработка на нашите ултразвукови апарати:
| Обем на партидата | Дебит | Препоръчителни устройства |
|---|---|---|
| 0.5 до 1,5 мл | Н.А. | ФлаконВисокоговорител за високи честоти |
| 1 до 500 мл | 10 до 200 мл/мин | UP100H |
| 10 до 2000 мл | 20 до 400 мл/мин | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 до 20L | 0.2 до 4 л/мин | UIP2000hdT |
| 10 до 100L | 2 до 10 л/мин | UIP4000hdT |
| 15 до 150L | 3 до 15 л/мин | UIP6000hdT |
| Н.А. | 10 до 100 л/мин | UIP16000hdT |
| Н.А. | Голям | Клъстер от UIP16000hdT |
Проектиране, производство и консултиране – Качество, произведено в Германия
Ултразвуковите апарати Hielscher са добре известни със своите най-високи стандарти за качество и дизайн. Здравината и лесната работа позволяват безпроблемното интегриране на нашите ултразвукови апарати в промишлени съоръжения. Тежките условия и взискателните условия се справят лесно с ултразвуковите апарати на Hielscher.
Hielscher Ultrasonics е сертифицирана по ISO компания и поставя специален акцент върху високопроизводителните ултразвукови уреди, отличаващи се с най-съвременна технология и удобство за потребителя. Разбира се, ултразвуковите апарати на Hielscher са съвместими с CE и отговарят на изискванията на UL, CSA и RoHs.
Ултразвуковото емулгиране подпомага сглобяването на надмолекулни структури
Литература / Препратки
- Di Giosia, Matteo; Bomans, Paul; Bottoni, Andrea; Cantelli, Andrea; Falini, Giuseppe; Franchi, Paola; Guarracino, Giuseppe; Friedrich, Heiner; Lucarini, Marco; Paolucci, Francesco; Rapino, Stefania; Sommerdijk, Nico; Soldà, Alice; valle, Francesco ; Zerbetto, Francesco; Calvaresi, Matteo (2018): Proteins as Supramolecular Hosts for C60: A True Solution of C60 in Water. Nanoscale 10(21); 2018.
- Fatemeh Shahangi Shirazi, Kamran Akhbari (2016): Sonochemical procedures; the main synthetic method for synthesis of coinage metal ion supramolecular polymer nano structures. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 31, 2016. 51-61.
- 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.
Често задавани въпроси
Какво е свръхмолекула/супермолекула?
Супермолекула или супермолекула е дискретна химична съвкупност от две или повече молекулни единици, които се държат заедно чрез нековалентни взаимодействия, като например водородна връзка, π-π подреждане, метална координация или сили на Ван дер Ваалс. За разлика от ковалентно свързаните молекули, тези структури възникват чрез обратими и често високо селективни процеси на самосглобяване, което води до сложни архитектури с нови свойства.
Какви са основните методи в надмолекулната химия?
Основните методи в супрамолекулярната химия се въртят около молекулното разпознаване и самоорганизацията. Концептуалната и експерименталната основа са химия на гостоприемника, шаблонният синтез, координационната химия и самосглобяването, задвижвано от слаби междумолекулни сили. Аналитични инструменти като ЯМР спектроскопия, изотермична титрационна калориметрия и рентгенова кристалография са от основно значение за количественото и структурното изследване на тези взаимодействия.
Какво е свръхмолекулно устройство?
Супрамолекулярното устройство е функционална система, в която молекулярните компоненти са организирани чрез нековалентни взаимодействия, за да изпълняват специфични задачи, като например предаване на сигнали, молекулярно превключване, катализа или преобразуване на енергия. Тези устройства често имитират биологични функции, като използват контролирано молекулно движение и обратимост в наномащаб.
Свръхмолекулярни структури ли са MOFs?
Металоорганичните рамки (МОФ) могат да се разглеждат като надмолекулни структури, тъй като техните разширени кристални мрежи са изградени чрез координационни връзки между метални йони или клъстери и органични свързващи вещества. Въпреки че тези връзки имат частично ковалентен характер, модулният, самосглобяващ се характер на МОФ и зависимостта им от насочени, обратими взаимодействия, ги поставят концептуално в по-широката област на надмолекулната химия.
Hielscher Ultrasonics произвежда високоефективни ултразвукови хомогенизатори от лаборатория да индустриален размер.