Sonikace otevírá nové cesty v supramolekulární chemii

Supramolekulární chemie závisí na slabých, vratných interakcích: vodíkových vazbách, π–π stackingu, van der Waalsových silách, solvofobních efektech a chirálním rozpoznávání. Tyto interakce umožňují molekulám samoorganizovat se do větších architektur, jako jsou vlákna, tyčinky, gely, agregáty a supramolekulární polymery. Pro chemiky a chemické inženýry nespočívá výzva pouze ve vytvoření takových struktur, ale také v řízení toho, která struktura vznikne, jak rychle vznikne a zda zůstane kineticky uvězněna, nebo dosáhne termodynamicky nejstabilnějšího stavu.

Účinky ultrazvuku v chemii: sonikace řídí supramolekulární samouspořádání

Vědecká studie Wehnera et al. (2020) publikovaná v časopise Nature Communications ukazuje, že sonikaci lze využít jako účinný vnější podnět k řízení drah samouspořádání v supramolekulární chemii. Výzkumníci zkoumali racemickou směs chirálních molekul perylenbisimidu a ukázali, že sonikace může řídit vznik odlišných supramolekulárních polymorfů. V závislosti na ultrazvukových podmínkách systém vytvářel různé samouspořádané struktury, včetně kineticky řízených konglomerátů a termodynamicky stabilního racemického supramolekulárního polymeru. Ve studii byl k sonikaci výslovně použit ultrazvukový procesor Hielscher UP50H, provozovaný při 30 kHz, 50 W a 100% amplitudě.
Tento výsledek je vysoce relevantní pro moderní materiálovou chemii, protože ukazuje, že ultrazvuk není pouhým nástrojem pro míchání nebo dispergaci. Za přesně definovaných podmínek může sonikace působit jako procesní parametr pro řízení molekulárních drah.

Proč jsou účinky ultrazvuku v chemii důležité

Účinky ultrazvuku v chemii jsou způsobeny především akustickou kavitací. Při zavedení vysoce intenzivního ultrazvuku do kapaliny vytvářejí střídavé tlakové cykly mikroskopické kavitační bubliny. Jejich růst a kolaps vytvářejí lokální vysokoenergetické podmínky, intenzivní mikroproudění, silné gradienty smyku a účinný přenos hmoty. V chemických a materiálových procesech mohou tyto účinky ovlivňovat nukleaci, agregaci, tvorbu částic, dispergaci, krystalizaci a samouspořádání.
V supramolekulární chemii je to obzvláště cenné, protože mnoho systémů je závislých na dráze. Tatáž molekula se může uspořádat do různých polymorfů v závislosti na pořadí a intenzitě přívodu energie, teplotě, koncentraci, složení rozpouštědla a čase. Sonikace poskytuje řiditelný způsob, jak do systému vnést mechanickou energii, aniž by se změnila molekulová struktura stavebního bloku.
Pro chemické inženýry je to rozhodující výhoda: ultrazvuk lze parametrizovat. Amplitudu, výkon, geometrii sonotrody a reaktoru, teplotu, dobu zdržení, tlak a průtok lze nastavovat, monitorovat a přenášet ze studií proveditelnosti na větší zpracovávané objemy.

Sonikace jako nástroj pro řízení samouspořádání

Studie zkoumala samouspořádání racemické směsi dvou enantiomerních molekul perylenbisimidu. Bez vhodného vnějšího podnětu mohou takové systémy sledovat preferovanou agregační dráhu nebo zůstat uvězněny v metastabilních stavech. Použitím řízené sonikace dokázali výzkumníci dosáhnout různých supramolekulárních výsledků.
Klíčové zjištění je jednoduché, ale významné: sonikace změnila dráhu samouspořádání. Při specifických teplotách a koncentracích podporoval výkonový ultrazvuk přeměnu z jednoho stavu agregátu do jiného. Za kinetických podmínek sonikace vytvořil systém supramolekulární konglomerát. Za termodynamických podmínek sonikace vytvořil racemický supramolekulární polymer s odlišnou morfologií a vyšší stabilitou.
Vědecký přínos spočívá ve schopnosti ovlivnit, zda převládne homochirální, nebo heterochirální agregace. Průmyslový přínos spočívá v širším konceptu: sonikace může pomoci usměrňovat molekulární organizaci, nejen urychlovat zpracování.

To je relevantní pro:

• supramolekulární polymery a funkční organické materiály
• výzkum chirální agregace a štěpení racemátů
• krystalizaci a screening polymorfů
• tvorbu nanovláken, nanotyčinek a agregátů barviv
• vývoj formulací a zpracování pokročilých materiálů
• zvětšování měřítka chemických procesů podporovaných ultrazvukem

Úloha sonikátorů Hielscher v supramolekulární chemii

Pro experimentální práci byla sonikace prováděna pomocí přístroje Hielscher UP50H, kompaktního laboratorního ultrazvukového procesoru. UP50H je sonikátor sondového typu s výkonem 50 W a frekvencí 30 kHz, určený pro malé laboratorní vzorky, který se používá v chemických, biologických, lékařských a analytických laboratořích. Hielscher popisuje UP50H jako vhodný pro ruční provoz nebo provoz na stojanu a pro úlohy, jako je dispergace, rozpouštění, emulgace a homogenizace malých objemů vzorků.
V této studii poskytl UP50H ultrazvukovou energii potřebnou ke spuštění a usměrnění přeměny supramolekulárních agregátů. To ilustruje důležitý praktický poznatek pro chemiky: laboratorní sonikace malých objemů může odhalit procesní okna, která je jinak obtížné identifikovat pouze mícháním, zahříváním nebo pasivním stárnutím.
V supramolekulární chemii lze proto sonikátory sondového typu, jako je UP50H, používat 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 drah a identifikovat metastabilní nebo 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 na konglomeráty Con-Agg 1 a Con-Agg 2 a racemický supramolekulární polymer Rac-Agg 4.
Studie a schéma: ©Wehner et al., 2020

Od laboratorního objevu ke škálovatelnému ultrazvukovému zpracování

Hlavní výhodou sonikátorů Hielscher je dostupnost ultrazvukového vybavení v celém vývojovém řetězci: od kompaktních laboratorních přístrojů přes stolní systémy až po průmyslové ultrazvukové procesory. Hielscher nabízí ultrazvukové přístroje a sondy pro zpracování kapalin od laboratorního po výrobní měřítko, s aplikacemi zahrnujícími chemické zpracování, zmenšování velikosti částic, extrakci, dispergaci a homogenizaci.
To je důležité, protože mnoho slibných sonochemických nebo supramolekulárních zjištění se nedostane za hranice laboratoře, pokud proces nelze reprodukovat ve větším měřítku. Přístup společnosti Hielscher k vývoji ultrazvukových procesů je založen na řiditelných parametrech a škálovatelných konfiguracích zařízení. Jakmile je identifikováno účinné ultrazvukové procesní okno, lze proces přenést na větší ultrazvukové systémy při zachování příslušného přívodu energie a podmínek zpracování.
Pro průmyslové uživatele to znamená, že sonikaci lze považovat nejen za výzkumnou metodu, ale i za procesní technologii.

Inline sonikace pro kontinuální chemické zpracování

Vsádková sonikace je užitečná pro laboratorní screening a optimalizaci malých objemů. Chemická výroba však často vyžaduje kontinuální provoz, reprodukovatelnost a definované doby zdržení. Ultrazvukové systémy Hielscher podporují inline sonikaci, při které jsou kapaliny čerpány ultrazvukovou průtokovou celou nebo reaktorem a za řízených podmínek vystaveny kavitačnímu poli.
Inline sonikaci lze provozovat v režimu jednoho průchodu nebo v recirkulačním režimu, což umožňuje, aby kapalina prošla ultrazvukovou zónou zpracování jednou nebo vícekrát. Hielscher uvádí, že jeho ultrazvukové procesory jsou k dispozici pro vsádkové i kontinuální inline zpracování, od laboratorních a stolních jednotek až po plně průmyslové měřítko.

Pro supramolekulární chemii a chemické inženýrství nabízí inline sonikace několik výhod:

• řízená doba zdržení v kavitační zóně
• lepší reprodukovatelnost ve srovnání s neřízeným vsádkovým mícháním
• lepší řízení tepla díky průtokovým celám a externímu chlazení
• kontinuální zpracování větších objemů
• snadnější integrace do stávajících chemických výrobních linek
• škálovatelná intenzita zpracování nastavením průtoku, amplitudy a konfigurace reaktoru

V chemii závislé na dráze mohou být tyto parametry kritické. Pokud supramolekulární systém reaguje na krátkou, intenzivní sonikaci jinak než na dlouhodobou mírnou sonikaci, poskytuje inline zpracování inženýrský rámec k definování a reprodukování této expozice.

Lineární zvětšování měřítka: od sonochemického screeningu k výrobě

Ultrazvuková technologie Hielscher je navržena pro zvětšování měřítka od laboratorního testování po průmyslové zpracování. U velkých systémů lze procesní parametry, jako je amplituda, tlak a teplota, optimalizovat v menších sestavách a poté přenést na zařízení s vyšší kapacitou zpracování. Hielscher popisuje účinnost ultrazvukového procesu jako lineárně škálovatelnou poté, co byla identifikována optimální konfigurace parametrů.
Tato schopnost lineárního zvětšování měřítka je obzvláště důležitá pro chemiky a procesní inženýry pracující s citlivými supramolekulárními systémy. Samouspořádané materiály často závisejí 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 zachováním definovaných podmínek sonikace při přechodu procesu od mililitrů k litrům a nakonec k průtokům ve výrobním měřítku.
Hielscher nabízí také průmyslové inline reaktory, jako je MultiSonoReactor, pro inline sonikaci s vysokou kapacitou zpracování. Tyto systémy jsou určeny pro aplikace zahrnující homogenizaci, míchání, dispergaci, extrakci a sonochemické reakce.

Vědecký a průmyslový význam ultrazvukem syntetizovaných supramolekulárních polymorfů

Studie o ultrazvukem řízeném supramolekulárním polymorfismu je významná, protože ukazuje, jak lze účinky ultrazvuku v chemii využít k dosažení různých materiálových stavů z téhož molekulárního systému. Místo změny molekuly změnili výzkumníci procesní podmínky. Právě zde se sonikace stává atraktivní pro průmyslovou chemii: může zlepšit výsledky prostřednictvím intenzifikace procesu namísto dalších syntetických kroků.
Pro vědecký výzkum přispívají zjištění k hlubšímu porozumění chirálnímu samouspořádání, kinetickému uvěznění, termodynamické kontrole a supramolekulárním energetickým krajinám. Pro průmysl mohou tytéž principy podpořit lepší screening polymorfů, rychlejší vývoj funkčních materiálů, lepší kontrolu nad morfologií agregátů a reprodukovatelnější zpracování pokročilých chemických systémů.

V praxi může sonikace pomoci chemikům a chemickým inženýrům:

• urychlit přeměny samouspořádání
• podpořit jinak nedostupné agregační dráhy
• zlepšit reprodukovatelnost v systémech závislých na dráze
• snížit závislost na dlouhých dobách ustavování rovnováhy
• provádět screening kinetických a termodynamických stavů produktu
• přenést slibné laboratorní výsledky do inline procesů

Ultrazvukové zpracování jako umožňující technologie

Výkonový ultrazvuk je umožňující technologií pro supramolekulární chemii. Řízený přívod akustické energie může ovlivnit molekulární organizaci komplexních systémů a zpřístupnit struktury, které je obtížné získat pouze konvenčním mícháním nebo tepelným zpracováním.
S přístrojem Hielscher UP50H citovaná studie prokazuje hodnotu přesné laboratorní sonikace pro základní supramolekulární výzkum. S většími stolními a průmyslovými sonikátory Hielscher lze tutéž technologickou platformu rozšířit směrem k optimalizaci procesu, inline zpracování a lineárnímu zvětšování měřítka.
Chemikům to otevírá nové experimentální cesty v oblasti samouspořádání a kontroly polymorfů. Chemickým inženýrům to poskytuje škálovatelný procesní nástroj pro převedení účinků ultrazvuku v chemii do spolehlivých výrobních strategií.

Níže uvedená tabulka Vám poskytne představu o přibližné zpracovatelské kapacitě našich ultrazvukových přístrojů:

Návrh, výroba a poradenství – kvalita Made in Germany

Ultrazvukové přístroje Hielscher jsou známé svými nejvyššími standardy kvality a designu. Robustnost a snadná obsluha umožňují bezproblémovou integraci našich ultrazvukových přístrojů do průmyslových zařízení. Drsné podmínky a náročná prostředí ultrazvukové přístroje Hielscher snadno zvládají.

Hielscher Ultrasonics je společnost s certifikací ISO a klade zvláštní důraz na vysoce výkonné ultrazvukové přístroje s nejmodernější technologií a uživatelskou přívětivostí. Ultrazvukové přístroje Hielscher jsou samozřejmě v souladu s CE a splňují požadavky UL, CSA a RoHs.

Literatura / Reference

• 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.