Ultrazvuk otevírá nové cesty v supramolekulární chemii

Supramolekulární chemie je založena na slabých, reverzibilních interakcích: vodíkových vazbách, π–π stohování, van der Waalsových silách, solvofobních jevech a chirálním rozpoznávání. Tyto interakce umožňují molekulám samoorganizovat se do větších struktur, jako jsou vlákna, tyčinky, gely, agregáty a supramolekulární polymery. Pro chemiky a chemické inženýry spočívá výzva nejen ve vytvoření takových struktur, ale také v tom, aby mohli řídit, jaká struktura vznikne, jak rychle se vytvoří a zda zůstane kineticky zachycena, nebo dosáhne termodynamicky nejstabilnějšího stavu.

Ultrazvukové jevy v chemii: Sonikace řídí supramolekulární samouspořádání

Vědecká studie autorů Wehnera a kol. (2020) publikovaná v časopise *Nature Communications* dokazuje, že ultrazvuk lze využít jako účinný vnější podnět k řízení procesů samouspořádání v supramolekulární chemii. Vědci zkoumali racemickou směs chirálních molekul perylenbisimidu a prokázali, že sonikace může řídit tvorbu odlišných supramolekulárních polymorfů. V závislosti na ultrazvukových podmínkách systém vytvářel různé samoorganizované struktury, včetně kineticky řízených konglomerátů a termodynamicky stabilního racemického supramolekulárního polymeru. Ve studii byl pro ultrazvukovou úpravu výslovně použit ultrazvukový procesor Hielscher UP50H, provozovaný při frekvenci 30 kHz, výkonu 50 W a 100% amplitudě.
Tento výsledek má velký význam pro moderní chemii materiálů, protože ukazuje, že ultrazvuk není pouhým nástrojem pro míchání či dispergaci. Za přesně definovaných podmínek může sonikace sloužit jako procesní parametr pro řízení molekulárních drah.

Proč jsou ultrazvukové jevy v chemii důležité

Ultrazvukové jevy v chemii jsou způsobeny především akustickou kavitací. Při působení vysoce intenzivního ultrazvuku v kapalině vznikají v důsledku střídavých tlakových cyklů mikroskopické kavitační bublinky. Jejich růst a kolaps vedou k lokálním podmínkám s vysokou energií, intenzivnímu mikroproudění, silným smykovým gradientům a účinnému přenosu hmoty. V chemických a materiálových procesech mohou tyto jevy ovlivňovat nukleaci, agregaci, tvorbu částic, disperzi, krystalizaci a samouspořádání.
V supramolekulární chemii je to obzvláště cenné, protože mnoho systémů je závislých na konkrétním průběhu reakce. Stejná molekula se může sestavit do různých polymorfů v závislosti na pořadí a intenzitě dodané energie, teplotě, koncentraci, složení rozpouštědla a čase. Ultrazvukové ozařování představuje kontrolovatelný způsob, jak do systému vnést mechanickou energii, aniž by došlo ke změně molekulární struktury stavebního bloku.
Pro chemické inženýry je to rozhodující výhoda: ultrazvuk lze nastavit podle konkrétních parametrů. Amplituda, výkon, geometrie sonotrody a reaktoru, teplota, doba zdržení, tlak a průtok lze nastavit, sledovat a přenést z testů proveditelnosti do zpracování ve větších objemech.

Ultrazvuk jako nástroj pro řízení samouspořádání

Studie se zabývala samouspořádáním racemické směsi dvou enantiomerních molekul perylenbisimidu. Bez vhodného vnějšího podnětu mohou takové systémy postupovat preferovanou cestou agregace nebo uvíznout v metastabilních stavech. Pomocí řízeného ultrazvukového ozařování se výzkumníkům podařilo dosáhnout různých supramolekulárních výsledků.
Klíčový závěr je jednoduchý, ale výmluvný: sonikace změnila způsob samouspořádání. Při určitých teplotách a koncentracích výkonový ultrazvuk podpořil přeměnu z jednoho agregátního stavu do jiného. Za podmínek kinetické sonikace systém vytvořil supramolekulární konglomerát. Za podmínek termodynamické sonikace vznikl racemický supramolekulární polymer s odlišnou morfologií a vyšší stabilitou.
Vědecký přínos spočívá ve schopnosti ovlivnit, zda převládá homochirální či heterochirální agregace. Průmyslový přínos spočívá v širším pojetí: sonikace může pomoci řídit molekulární uspořádání, a nikoli pouze urychlovat zpracování.

Toto se týká:

• supramolekulární polymery a funkční organické materiály
• výzkum chirální agregace a separace racemátů
• krystalizace a screening polymorfů
• tvorba nanovláken, nanotyčinek a agregátů barviv
• vývoj receptur a pokročilé zpracování materiálů
• zvětšení měřítka chemických procesů prováděných za pomoci ultrazvuku

Úloha ultrazvukových zařízení Hielscher v supramolekulární chemii

Pro experimentální práci byla ultrazvuková обробka prováděna pomocí přístroje Hielscher UP50H, kompaktního laboratorního ultrazvukového procesoru. UP50H je 50 W ultrazvukový procesor s sondou o frekvenci 30 kHz, určený pro malé laboratorní vzorky, který se používá v chemických, biologických, lékařských a analytických laboratořích. Společnost Hielscher popisuje přístroj UP50H jako vhodný pro ruční i stojanové použití a pro úkoly, jako je dispergování, rozpouštění, emulgace a homogenizace malých objemů vzorků.
V této studii poskytoval přístroj UP50H ultrazvukovou energii potřebnou k vyvolání a řízení přeměny supramolekulárních agregátů. To ilustruje důležitý praktický aspekt pro chemiky: laboratorní sonikace v malém objemu může odhalit procesní okna, která je jinak obtížné identifikovat pouze mícháním, zahříváním nebo pasivním stárnutím.
V supramolekulární chemii lze proto ultrazvukové přístroje sondového typu, jako je například UP50H, využít nejen k přípravě vzorků, ale také jako aktivní experimentální proměnnou. Změnou teploty a doby sonikace mohou výzkumníci zkoumat kinetické a termodynamické režimy, provádět screening agregačních cest a identifikovat metastabilní či stabilní polymorfy.
 

Spektroskopické studie racemické směsi (R,R)- a (S,S)-PBI. a Chemické struktury (R,R)- a (S,S)-PBI a schematické znázornění ultrazvukem indukované supramolekulární polymerace racemické směsi (R,R)- a (S,S)-PBI do konglomerátů Con-Agg 1 a Con-Agg 2 a racemického supramolekulárního polymeru Rac-Agg 4.
Studie a schéma: ©Wehner et al., 2020

Od laboratorního objevu k škálovatelnému ultrazvukovému zpracování

Hlavní výhodou ultrazvukových zařízení společnosti Hielscher je dostupnost ultrazvukové techniky pro celý vývojový řetězec: od kompaktních laboratorních přístrojů přes stolní systémy až po průmyslové ultrazvukové procesory. Společnost Hielscher nabízí ultrazvukové přístroje a sondy pro zpracování kapalin od laboratorního až po výrobní měřítko, s aplikacemi zahrnujícími chemické zpracování, zmenšování velikosti částic, extrakci, dispergaci a homogenizaci.
To je důležité, protože mnoho slibných sonochemických či supramolekulárních objevů se nedostane za hranice laboratoře, pokud nelze daný proces reprodukovat ve větším měřítku. Přístup společnosti Hielscher k vývoji ultrazvukových procesů je založen na regulovatelných parametrech a škálovatelných konfiguracích zařízení. Jakmile je identifikováno efektivní procesní okno pro ultrazvuk, lze proces přenést na větší ultrazvukové systémy při zachování příslušného příkonu energie a procesních podmínek.
Pro průmyslové uživatele to znamená, že sonikaci lze považovat nejen za výzkumnou metodu, ale i za procesní technologii.

Inline sonikace pro kontinuální chemické zpracování

Šaržová sonikace je vhodná pro laboratorní screening a optimalizaci v malých objemech. Chemická výroba však často vyžaduje kontinuální provoz, reprodukovatelnost a definované doby zdržení. Ultrazvukové systémy společnosti Hielscher podporují inline sonikaci, při které jsou kapaliny čerpány přes ultrazvukovou průtokovou celu nebo reaktor a za kontrolovaných podmínek vystaveny kavitačnímu poli.
Inline sonikace může probíhat v režimu jednorázového průtoku nebo v recirkulačním režimu, což umožňuje, aby kapalina prošla zónou ultrazvukového zpracování jednou nebo vícekrát. Společnost Hielscher uvádí, že její ultrazvukové procesory jsou k dispozici jak pro dávkové, tak pro kontinuální inline zpracování, a to od laboratorních a stolních zařízení až po plný průmyslový rozsah.

V oblasti supramolekulární chemie a chemického inženýrství nabízí inline sonikace několik výhod:

• řízená doba zdržení v kavitační zóně
• lepší reprodukovatelnost ve srovnání s nekontrolovaným mícháním šarže
• lepší řízení teploty pomocí průtokových článků a externího chlazení
• kontinuální zpracování větších objemů
• snazší integrace do stávajících chemických výrobních linek
• nastavitelná intenzita zpracování prostřednictvím úpravy průtoku, amplitudy a konfigurace reaktoru

V chemii závislé na reakčních drahách mohou být tyto parametry rozhodující. Pokud supramolekulární systém reaguje odlišně na krátké, intenzivní sonikaci než na dlouhodobou mírnou sonikaci, poskytuje inline zpracování technický rámec pro definování a reprodukování této expozice.

Lineární škálování: Od sonochemického screeningu k výrobě

Ultrazvuková technologie společnosti Hielscher je navržena pro rozšíření z laboratorního testování na průmyslové zpracování. U velkých systémů lze procesní parametry, jako jsou amplituda, tlak a teplota, optimalizovat v menších zařízeních a následně je přenést na zařízení s vyšší kapacitou. Společnost Hielscher popisuje účinnost ultrazvukového procesu jako lineárně škálovatelnou poté, co byla stanovena optimální konfigurace parametrů.
Tato schopnost lineárního škálování je obzvláště důležitá pro chemiky a procesní inženýry pracující s citlivými supramolekulárními systémy. Samouspořádané materiály často závisí na úzkých procesních oknech. Změna intenzity míchání, doby zdržení, teplotního profilu nebo hustoty energie může změnit morfologii produktu. Škálovatelné ultrazvukové systémy pomáhají toto riziko snížit tím, že zachovávají definované podmínky sonikace při přechodu procesu z mililitrů na litry a nakonec na průtoky v produkčním měřítku.
Společnost Hielscher nabízí také průmyslové inline reaktory, jako je například MultiSonoReactor, určené pro vysokokapacitní inline sonikaci. Tyto systémy jsou určeny pro aplikace, jako je homogenizace, míchání, disperze, extrakce a sonochemické reakce.

Vědecký a průmyslový význam supramolekulárních polymorfů syntetizovaných pomocí ultrazvuku

Studie o ultrazvukem řízeném supramolekulárním polymorfismu je významná tím, že ukazuje, jak lze ultrazvukové jevy v chemii využít k dosažení různých stavů látky v rámci téhož molekulárního systému. Místo toho, aby měnili molekulu, změnili vědci podmínky procesu. Právě v tomto ohledu se sonikace stává atraktivní pro průmyslovou chemii: může zlepšit výsledky prostřednictvím intenzifikace procesu, nikoli přidáváním dalších syntetických kroků.
Z hlediska vědeckého výzkumu přispívají tyto poznatky k hlubšímu porozumění chirálnímu samouspořádání, kinetickému zachycování, termodynamické regulaci a supramolekulárním energetickým krajinám. V průmyslu mohou stejné principy podpořit efektivnější screening polymorfů, rychlejší vývoj funkčních materiálů, lepší kontrolu nad morfologií agregátů a reprodukovatelnější zpracování pokročilých chemických systémů.

Z praktického hlediska může sonikace pomoci chemikům a chemickým inženýrům:

• urychlit transformace založené na samouspořádání
• podporovat jinak nedostupné agregační dráhy
• zlepšit reprodukovatelnost v systémech závislých na signálních drahách
• snížit závislost na dlouhých dobách vyrovnání
• zobrazit kinetické a termodynamické stavy produktu
• zapracovat slibné výsledky laboratorních testů do běžných výrobních procesů

Ultrazvukové zpracování jako klíčová technologie

Výkonný ultrazvuk je klíčovou technologií pro supramolekulární chemii. Řízený přísun akustické energie může ovlivnit molekulární uspořádání složitých systémů a umožnit vytvoření struktur, kterých nelze dosáhnout pouhým konvenčním mícháním nebo tepelným zpracováním.
Na příkladu přístroje Hielscher UP50H tato studie dokládá význam přesné laboratorní sonikace pro základní supramolekulární výzkum. S využitím větších stolních a průmyslových sonikátorů společnosti Hielscher lze tutéž technologickou platformu rozšířit na optimalizaci procesů, inline zpracování a lineární škálování.
Chemikům to otevírá nové experimentální možnosti v oblasti samouspořádání a řízení polymorfů. Chemickým inženýrům to poskytuje škálovatelný procesní nástroj pro převedení ultrazvukových jevů v chemii do spolehlivých výrobních strategií.

Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators:

Projekce, výroba a poradenství – Kvalita Made in Germany

Hielscher ultrasonicators jsou dobře známí pro své nejvyšší standardy kvality a designu. Robustnost a snadná obsluha umožňují hladkou integraci našich ultrazvukových zařízení do průmyslových zařízení. Drsné podmínky a náročná prostředí jsou snadno zvládnutelné Hielscher ultrasonikators.

Hielscher Ultrasonics je společnost certifikovaná ISO a klade zvláštní důraz na vysoce výkonné ultrasonicators s nejmodernější technologií a uživatelskou přívětivostí. Samozřejmě, Hielscher ultrasonicators jsou v souladu s CE a splňují požadavky UL, CSA a RoHs.

Literatura / Reference