Ultralydsbehandling åbner nye veje inden for supramolekylær kemi

Supramolekylær kemi bygger på svage, reversible vekselvirkninger: hydrogenbindinger, π–π-stabling, van der Waals-kræfter, solvofobe effekter og chiral genkendelse. Disse vekselvirkninger gør det muligt for molekyler at selvorganisere sig i større strukturer såsom fibre, stænger, geler, aggregater og supramolekylære polymerer. For kemikere og kemiteknikere består udfordringen ikke blot i at danne sådanne strukturer, men også i at kontrollere, hvilken struktur der dannes, hvor hurtigt den dannes, og om den forbliver kinetisk fanget eller når den termodynamisk mest stabile tilstand.

Ultralydseffekter i kemi: Ultralydsbehandling styrer supramolekylær selvmontering

En videnskabelig undersøgelse af Wehner et al. (2020), der er offentliggjort i Nature Communications, viser, at ultralyd kan anvendes som en kraftfuld ekstern stimulus til at styre selvorganiseringsprocesser inden for supramolekylær kemi. Forskerne undersøgte en racemisk blanding af kirale perylenbisimidmolekyler og viste, at ultralydbehandling kunne styre dannelsen af forskellige supramolekylære polymorfer. Afhængigt af ultralydsbetingelserne dannede systemet forskellige selvorganiserede strukturer, herunder kinetisk styrede konglomerater og et termodynamisk stabilt racemisk supramolekylært polymer. I undersøgelsen blev der specifikt anvendt en Hielscher UP50H ultralydsprocessor til ultralydsbehandlingen, der blev kørt ved 30 kHz, 50 W og 100 % amplitude.
Dette resultat er yderst relevant for moderne materialekemi, da det viser, at ultralyd ikke blot er et redskab til blanding eller spredning. Under veldefinerede betingelser kan ultralydsbehandling fungere som en procesparameter til styring af molekylære reaktionsveje.

Hvorfor ultralydseffekter er vigtige inden for kemi

Ultralydseffekter inden for kemi skyldes hovedsageligt akustisk kavitation. Når ultralyd med høj intensitet tilføres en væske, danner vekslende trykcyklusser mikroskopiske kavitationsbobler. Deres vækst og sammenbrud skaber lokaliserede højenergiforhold, intense mikrostrømninger, stærke forskydningsgradienter og effektiv masseoverførsel. I kemiske og materialetekniske processer kan disse effekter påvirke nukleation, aggregering, partikeldannelse, dispersion, krystallisering og selvmontering.
Inden for supramolekylær kemi er dette særligt værdifuldt, da mange systemer er afhængige af den specifikke reaktionsvej. Det samme molekyle kan danne forskellige polymorfer afhængigt af rækkefølgen og intensiteten af energitilførslen, temperaturen, koncentrationen, opløsningsmidlets sammensætning og tiden. Ultralydbehandling giver en kontrollerbar måde at tilføre mekanisk energi til systemet på uden at ændre byggestenens molekylære struktur.
For kemiteknikere er dette en afgørende fordel: Ultralyd kan indstilles. Amplitude, effekt, sonotrode- og reaktorgeometri, temperatur, opholdstid, tryk og gennemstrømningshastighed kan justeres, overvåges og overføres fra gennemførlighedstests til større produktionsmængder.

Ultralydbehandling som redskab til styring af selvmontering

Undersøgelsen undersøgte selvsamlingen af en racemisk blanding af to enantiomere perylenbisimidmolekyler. Uden den rette ydre stimulans kan sådanne systemer følge en foretrukken aggregeringsvej eller blive fanget i metastabile tilstande. Ved at anvende kontrolleret ultralydbehandling kunne forskerne opnå forskellige supramolekylære resultater.
Det centrale resultat er enkelt, men markant: Ultralydbehandlingen ændrede selvorganiseringsforløbet. Ved bestemte temperaturer og koncentrationer fremmede kraftig ultralyd omdannelsen fra én aggregeringstilstand til en anden. Under kinetiske sonikeringsbetingelser dannede systemet et supramolekylært konglomerat. Under termodynamiske sonikeringsbetingelser dannede det et racemisk supramolekylært polymer med en anden morfologi og højere stabilitet.
Den videnskabelige betydning ligger i muligheden for at påvirke, om det er homokiral eller heterokiral aggregering, der dominerer. Den industrielle betydning ligger i det bredere perspektiv: ultralydsbehandling kan bidrage til at styre molekylær organisering, ikke blot fremskynde forarbejdningen.

Dette gælder for:

• supramolekylære polymerer og funktionelle organiske materialer
• forskning i chiral aggregering og adskillelse af racemater
• krystallisering og screening af polymorfer
• dannelse af nanofibre, nanostave og farvestofaggregater
• udvikling af formuleringer og avanceret materialebehandling
• opskalering af ultralydsassisterede kemiske processer

Hielscher-sonikatorers rolle inden for supramolekylær kemi

I forbindelse med det eksperimentelle arbejde blev ultralydsbehandlingen udført med Hielscher UP50H, en kompakt ultralydsprocessor til laboratoriebrug. UP50H er en 50 W, 30 kHz ultralydsprocessor af sondetypen, der er udviklet til små laboratorieprøver og anvendes i kemiske, biologiske, medicinske og analytiske laboratorier. Hielscher beskriver UP50H som velegnet til håndholdt eller stativmonteret drift og til opgaver såsom spredning, opløsning, emulgering og homogenisering af små prøvevolumener.
I denne undersøgelse leverede UP50H den ultralydsenergi, der var nødvendig for at udløse og styre omdannelsen af supramolekylære aggregater. Dette illustrerer et vigtigt praktisk aspekt for kemikere: Laboratorieultralydsbehandling i små mængder kan afsløre procesvinduer, som ellers er vanskelige at identificere ved hjælp af omrøring, opvarmning eller passiv modning alene.
Inden for supramolekylær kemi kan ultralydsapparater af sondetypen, såsom UP50H, derfor ikke blot anvendes til prøveforberedelse, men også som en aktiv eksperimentel variabel. Ved at ændre ultralydsbehandlingens temperatur og varighed kan forskerne undersøge kinetiske og termodynamiske tilstande, kortlægge aggregeringsveje og identificere metastabile eller stabile polymorfe former.
 

Spektroskopiske undersøgelser af den racemiske blanding af (R,R)- og (S,S)-PBI. a Kemiske strukturer for (R,R)- og (S,S)-PBI samt skematisk fremstilling af den ultralydsinducerede supramolekylære polymerisation af den racemiske blanding af (R,R)- og (S,S)-PBI til konglomeraterne Con-Agg 1 og Con-Agg 2 samt den racemiske supramolekylære polymer Rac-Agg 4.
Undersøgelse og skitse: ©Wehner et al., 2020

Fra laboratorieopdagelse til skalerbar ultralydsbehandling

En væsentlig fordel ved Hielschers ultralydsapparater er, at der findes ultralydsudstyr til hele udviklingskæden: fra kompakte laboratorieapparater til bordmodeller og industrielle ultralydsprocessorer. Hielscher tilbyder ultralydsapparater og prober til væskebehandling fra laboratorie- til produktionsskala, med anvendelsesområder som kemisk forarbejdning, partikelstørrelsesreduktion, ekstraktion, dispergering og homogenisering.
Dette er vigtigt, fordi mange lovende sonokemiske eller supramolekylære resultater ikke kommer videre end til laboratoriet, når processen ikke kan reproduceres i større skala. Hielschers tilgang til udvikling af ultralydsprocesser er baseret på kontrollerbare parametre og skalerbare udstyrskonfigurationer. Når et effektivt procesvindue for ultralyd er identificeret, kan processen overføres til større ultralydssystemer ved at opretholde den relevante energitilførsel og de relevante procesbetingelser.
For industrielle brugere betyder dette, at ultralydsbehandling ikke blot kan betragtes som en forskningsmetode, men også som en procesteknologi.

Inline-ultralydbehandling til kontinuerlig kemisk forarbejdning

Batch-ultralydbehandling er velegnet til laboratoriescreening og optimering af små mængder. Kemisk produktion kræver imidlertid ofte kontinuerlig drift, reproducerbarhed og definerede opholdstider. Hielschers ultralydssystemer understøtter inline-ultralydbehandling, hvor væsker pumpes gennem en ultralydsflowcelle eller -reaktor og udsættes for kavitationsfeltet under kontrollerede forhold.
Inline-ultralydsbehandling kan udføres i single-pass-tilstand eller i recirkulationstilstand, hvilket gør det muligt for væsken at passere én eller flere gange gennem ultralydsbehandlingszonen. Hielscher oplyser, at deres ultralydsprocessorer kan anvendes til både batch- og kontinuerlig inline-behandling, lige fra laboratorie- og bordmodeller til fuld industriel skala.

Inden for supramolekylær kemi og kemiteknik byder inline-ultralydsbehandling på en række fordele:

• kontrolleret opholdstid i kavitationszonen
• forbedret reproducerbarhed sammenlignet med ukontrolleret omrøring af partier
• bedre varmestyring ved hjælp af flowceller og ekstern køling
• kontinuerlig forarbejdning af større mængder
• nemmere integration i eksisterende kemiske produktionslinjer
• skalérbar behandlingsintensitet ved justering af gennemstrømningshastighed, amplitude og reaktorkonfiguration

I reaktionsvejafhængig kemi kan disse parametre være afgørende. Hvis et supramolekylært system reagerer forskelligt på kortvarig, intens ultralydsbehandling og på langvarig, mild ultralydsbehandling, giver inline-behandlingen de tekniske rammer til at definere og gentage denne eksponering.

Lineær opskalering: Fra sonokemisk screening til produktion

Hielschers ultralydsteknologi er udviklet med henblik på opskalering fra laboratorieforsøg til industriel forarbejdning. Ved store anlæg kan procesparametre som amplitude, tryk og temperatur optimeres i mindre opstillinger og derefter overføres til udstyr med højere kapacitet. Hielscher beskriver effektiviteten af ultralydsprocessen som lineært skalerbar, når den optimale parameterkonfiguration er fastlagt.
Denne lineære opskaleringsmulighed er især vigtig for kemikere og procesingeniører, der arbejder med følsomme supramolekylære systemer. Selvorganiserende materialer er ofte afhængige af snævre procesvinduer. En ændring i blandingsintensitet, opholdstid, temperaturprofil eller energitæthed kan ændre produktets morfologi. Skalerbare ultralydssystemer bidrager til at reducere denne risiko ved at opretholde definerede sonikeringsbetingelser, når processen skifter fra milliliter til liter og i sidste ende til gennemstrømningshastigheder i produktionsskala.
Hielscher tilbyder også industrielle inline-reaktorer, såsom MultiSonoReactor, til inline-ultralydsbehandling med høj kapacitet. Disse systemer er udviklet til anvendelser som homogenisering, blanding, dispersion, ekstraktion og sonokemiske reaktioner.

Videnskabelig og industriel relevans af ultralydssyntetiserede supramolekylære polymorfer

Undersøgelsen af ultralydsstyret supramolekylær polymorfisme er vigtig, fordi den viser, hvordan ultralydseffekter i kemien kan udnyttes til at opnå forskellige materialetilstande ud fra det samme molekylære system. I stedet for at ændre molekylet ændrede forskerne procesbetingelserne. Det er netop her, at sonikering bliver attraktivt for den industrielle kemi: den kan forbedre resultaterne gennem procesintensivering i stedet for yderligere syntetiske trin.
Inden for den videnskabelige forskning bidrager resultaterne til en dybere forståelse af kiral selvorganisering, kinetisk indfangning, termodynamisk styring og supramolekylære energilandskaber. For industrien kan de samme principper danne grundlag for en forbedret screening af polymorfer, en hurtigere udvikling af funktionelle materialer, bedre kontrol over aggregatmorfologien og en mere reproducerbar forarbejdning af avancerede kemiske systemer.

I praksis kan ultralydsbehandling være til hjælp for kemikere og kemiteknikere:

• fremskynde selvmonteringsprocesser
• fremme ellers utilgængelige sammenligningsveje
• forbedre reproducerbarheden i signalvejsafhængige systemer
• mindske afhængigheden af lange ligevægtsperioder
• visning af kinetiske og termodynamiske produkttilstande
• at overføre lovende laboratorieresultater til produktionsprocesserne

Ultralydsbehandling som en grundlæggende teknologi

Kraftultralyd er en grundlæggende teknologi inden for supramolekylær kemi. Den kontrollerede tilførsel af akustisk energi kan påvirke den molekylære organisering i komplekse systemer og give adgang til strukturer, som er vanskelige at opnå ved hjælp af konventionel omrøring eller termisk behandling alene.
Med Hielscher UP50H viser den nævnte undersøgelse værdien af præcis laboratoriesonikering inden for grundlæggende supramolekylær forskning. Med Hielschers større bordmodeller og industrielle sonikatorer kan den samme teknologiplatform udvides til procesoptimering, inline-behandling og lineær opskalering.
For kemikere åbner dette nye eksperimentelle veje inden for selvmontering og kontrol af polymorfe former. For kemiteknikere udgør det et skalerbart procesværktøj til at omsætte ultralydseffekter i kemien til pålidelige produktionsstrategier.

Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores ultralydapparater:

Design, produktion og rådgivning – Kvalitet fremstillet i Tyskland

Hielscher ultralydapparater er kendt for deres højeste kvalitet og designstandarder. Robusthed og nem betjening muliggør en jævn integration af vores ultralydapparater i industrielle faciliteter. Hårde forhold og krævende miljøer håndteres let af Hielscher ultralydsapparater.

Hielscher Ultrasonics er et ISO-certificeret firma og lægger særlig vægt på højtydende ultralydapparater med avanceret teknologi og brugervenlighed. Selvfølgelig er Hielscher ultralydapparater CE-kompatible og opfylder kravene i UL, CSA og RoHs.

Litteratur / Referencer