Supramolekylære strukturer samlet via sonikering
Sonikering er et kraftfuldt og alsidigt værktøj i supramolekylær kemi, der muliggør præcis kontrol over ikke-kovalente samlingsprocesser, der ofte er følsomme over for kinetiske og termodynamiske parametre. Anvendelsen af kraftig ultralyd på et flydende medium påvirker molekylære interaktioner, fremskynder selvsamling, forbedrer blanding og fremmer strukturel reorganisering på nanoskalaen.
Hvordan sonikering påvirker supramolekylær samling
I supramolekylære systemer, hvor svage interaktioner som hydrogenbinding, π-π-stabling, metalkoordination og van der Waals-kræfter styrer strukturdannelsen, kan ultralyd selektivt påvirke samlevejene. Det muliggør homogen nukleation, hjælper med at sprede byggesten og letter dannelsen af metastabile eller kinetisk fangede arkitekturer, der ofte er utilgængelige under konventionelle forhold. Desuden kan sonikering modulere ligevægten mellem samlede og adskilte tilstande, hvilket giver et dynamisk middel til at kontrollere reversible supramolekylære systemer.
Ud over de fysiske effekter giver sonokemi en miljøvenlig og energieffektiv tilgang. – udføres ofte under opløsningsmiddelfrie eller milde forhold – hvilket gør den attraktiv til syntese af supramolekylære geler, nanofibre, vært-gæst-komplekser og hybride nanostrukturer. Som følge heraf er sonikering ikke kun en prøveforberedelsesteknik, men en central mekanokemisk drivkraft i det rationelle design og behandling af supramolekylære materialer.
Sonicator UP400St til effektiv syntese af supramolekylære strukturer
Ultralydsfremkaldt syntese af supramolekyler
Sonikering kan drive dannelse, stabilisering eller transformation af en bred vifte af supramolekylære systemer gennem akustisk kavitation, forbigående forskydningsgradienter og mikrojetpåvirkninger. De følgende kategorier illustrerer typiske strukturer, der er opnået eller påvirket af ultralydsassisteret selvsamling:
- Supramolekylære vært-gæst-komplekser
Cyclodextrin-inklusionskomplekser
Cucurbituril-baserede vært-gæst-systemer
Samlinger af calixarener og søjle[5]arener
Mekanisk sammenkoblede molekyler (rotaxaner, catenaner) - Supramolekylært grafenoxid og 2D-hybrider
- π-π-stablede grafenoxid-kromoforkomplekser
- Supramolekylære hybrider af grafenoxid og polymerer
- Ikke-kovalent funktionalisering med porfyriner, fullerener eller peptider
- Supramolekylære nanofibre og nanorør
- Peptid-amfifile nanofibre
- π-konjugerede nanofibre (f.eks. perylenbisimid-, porfyrin- eller cyaninderivater)
- Brintbundne eller π-π-stablede nanorør
- Supramolekylære geler (sonogeler)
- Organogeler og hydrogeler udløst eller stabiliseret af ultralyd
- Sol-gel-overgange fremkaldt via lokal opvarmning og forskydning
- Reversible supramolekylære netværk (H-bundne, metal-ligand eller ioniske)
- Supramolekylære aggregater og konglomerater
- Miceller og vesikler dannet af amfifile molekyler
- Coacervater og kolloide samlinger
- Chirale konglomerater og polymorfe samlinger påvirket af ultralydsenergitilførsel
- Supramolekylære nanosvampe og porøse rammer
- Cyclodextrin-baserede nanosvampe
- Sonokemisk genererede metal-organiske rammer (MOF'er) og kovalente organiske rammer (COF'er)
- Porøse supramolekylære netværk brugt til katalyse eller lægemiddelbelastning
- Andre ultralydsreagerende supramolekylære arkitekturer
- Supramolekylære kapsler og nanokapsler
- Selvsamlede monolag (SAM'er) og multilag
- DNA-baserede supramolekylære strukturer
- Koordinationspolymerer og metallogeler
(Studie og film: Rutgeerts et al., 2019)
Ultralydsapplikationer i supramolekylær samling
Ultralyd påvirker supramolekylær selvsamling gennem mekaniske, termiske og kavitationelle effekter.
Disse nøgleprocesser omfatter:
- Emulgering og dannelse af nanoemulsioner
- Letter supramolekylær indkapsling i olie/vand-systemer
- Fremmer homogen blanding af ublandbare faser
- Reduktion af partikelstørrelse og deaggregering
- Nedbryder større supramolekylære aggregater eller krystaller
- Kontrollerer morfologi og polydispersitet
- Dispersion og homogenisering
- Forbedrer spredning af nanopartikler eller supramolekylære byggesten i opløsningsmidler
- Forbedrer ensartetheden i dannelsen af gel- eller hybridmateriale
- Forbedring af indkapsling og kompleksdannelse
- Fremskynder gæsteinklusion i cyclodextriner eller micellære systemer
- Fremmer dannelse af nanokapsler til lægemiddelafgivelse eller katalyse
- Fibersplejsning / reduktion af længde
- Afkortning af peptid- eller polymer-nanofibre ved hjælp af kavitationsforskydning
- Kontrolleret fragmentering af supramolekylære filamenter og nanorør
- Krystallisering og polymorf kontrol
- Ultralydsassisteret nukleation til kontrolleret krystalvækst
- Generering af metastabile eller kinetisk favoriserede supramolekylære polymorfer
- Tværbinding og netværksdannelse
- Fremkalder omorganisering af bindinger i hydrogenbundne eller metal-ligand-netværk
- Starter dannelsen af supramolekylære metal-organiske rammer (MOF'er)
- Fremmer dannelsen af supramolekylære hydrogeler og sonogeler
- Sonokemisk aktivering og funktionalisering
- Starter reaktioner for supramolekylær modifikation
- Muliggør ikke-kovalent fastgørelse af funktionelle enheder på værtsstilladser
- Nedbrydning og reversibel adskillelse
- Ultralydsenergi bruges til at adskille supramolekylære konstruktioner reversibelt
- Kontrolleret frigivelse af indkapslede arter under ultralydsstimulering
Få den bedste sonikator til supramolekyler
Hielscher-sonikatorer er højtydende ultralydssystemer af sondetypen, der er specielt designet til præcis energilevering i væskefaseprocesser, hvilket gør dem usædvanligt velegnede til den sonokemiske og supramolekylære samling af komplekse arkitekturer. Deres præcise kontrol af amplitude, tid, pulstilstand og temperatur muliggør reproducerbar kavitationsdynamik, der fremmer effektiv blanding, forbedret masseoverførsel og aktivering af ikke-kovalente interaktioner, der er afgørende for supramolekylær organisering. Inden for sonokemi kan en sådan kontrolleret akustisk kavitation fremskynde selvsamling, lette kompleksdannelse mellem vært og gæst og påvirke morfologien eller stabiliteten af supramolekylære aggregater. Hielscher-enhedernes robusthed, skalerbarhed og digitale procesovervågning gør det muligt at finjustere reaktionsbetingelserne fra små laboratorieeksperimenter til industriel syntese - og dermed forbinde grundlæggende supramolekylær forskning med anvendt materialefremstilling.
Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores ultralydapparater:
| Batch volumen | Flowhastighed | Anbefalede enheder |
|---|---|---|
| 0.5 til 1,5 ml | n.a. | VialTweeter |
| 1 til 500 ml | 10 til 200 ml/min | UP100H |
| 10 til 2000 ml | 20 til 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 til 20L | 0.2 til 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 til 100L | 2 til 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 til 150L | 3 til 15 l/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 til 100 l/min | UIP16000hdT |
| n.a. | Større | klynge af UIP16000hdT |
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.
Ultralydsemulgering fremmer samlingen af supramolekylære strukturer
Litteratur / Referencer
- 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.
Ofte stillede spørgsmål
Hvad er et supramolekyle/supermolekyle?
Et supramolekyle eller supermolekyle er en diskret kemisk samling af to eller flere molekylære enheder, der holdes sammen af ikke-kovalente interaktioner som f.eks. hydrogenbinding, π-π-stabling, metalkoordinering eller van der Waals-kræfter. I modsætning til kovalent bundne molekyler opstår disse strukturer gennem reversible og ofte meget selektive selvsamlingsprocesser, hvilket giver anledning til komplekse arkitekturer med nye egenskaber.
Hvad er de grundlæggende metoder i supramolekylær kemi?
De grundlæggende metoder i supramolekylær kemi drejer sig om molekylær genkendelse og selvorganisering. Værts-gæst-kemi, skabelonsyntese, koordinationskemi og selvsamling drevet af svage intermolekylære kræfter udgør det konceptuelle og eksperimentelle fundament. Analytiske værktøjer som NMR-spektroskopi, isotermisk titreringskalorimetri og røntgenkrystallografi er centrale for at studere disse interaktioner kvantitativt og strukturelt.
Hvad er en supramolekylær enhed?
En supramolekylær enhed er et funktionelt system, hvor molekylære komponenter er organiseret gennem ikke-kovalente interaktioner for at udføre specifikke opgaver, såsom signaltransduktion, molekylær omskiftning, katalyse eller energiomdannelse. Disse enheder efterligner ofte biologiske funktioner ved at udnytte kontrolleret molekylær bevægelse og reversibilitet på nanoskalaen.
Er MOF'er supramolekylære strukturer?
Metal-organiske rammer (MOF'er) kan faktisk betragtes som supramolekylære strukturer, da deres udvidede krystallinske netværk er opbygget via koordinationsbindinger mellem metalioner eller -klynger og organiske linkere. Selvom disse bindinger har delvis kovalent karakter, placerer MOF'ernes modulære, selvsamlede natur og deres afhængighed af retningsbestemte, reversible interaktioner dem konceptuelt inden for det bredere domæne af supramolekylær kemi.
Hielscher Ultrasonics fremstiller højtydende ultralydshomogenisatorer fra Lab til industriel størrelse.