Die Ultraschallbehandlung eröffnet neue Wege in der supramolekularen Chemie

Die supramolekulare Chemie beruht auf schwachen, reversiblen Wechselwirkungen: Wasserstoffbrückenbindungen, π–π-Stapelungen, van-der-Waals-Kräfte, solvophobe Effekte und chirale Erkennung. Diese Wechselwirkungen ermöglichen es Molekülen, sich selbst zu größeren Strukturen wie Fasern, Stäbchen, Gelen, Aggregaten und supramolekularen Polymeren zu organisieren. Für Chemiker und Chemieingenieure besteht die Herausforderung nicht nur darin, solche Strukturen zu bilden, sondern auch zu steuern, welche Struktur entsteht, wie schnell sie sich bildet und ob sie kinetisch gefangen bleibt oder den thermodynamisch stabilsten Zustand erreicht.

Ultraschalleffekte in der Chemie: Die Ultraschallbehandlung steuert die supramolekulare Selbstorganisation

Eine in „Nature Communications“ veröffentlichte wissenschaftliche Studie von Wehner et al. (2020) zeigt, dass Ultraschall als wirkungsvoller externer Reiz genutzt werden kann, um Selbstorganisationsprozesse in der supramolekularen Chemie zu steuern. Die Forscher untersuchten ein racemisches Gemisch aus chiralen Perylenbisimid-Molekülen und zeigten, dass die Ultraschallbehandlung die Bildung unterschiedlicher supramolekularer Polymorphe steuern kann. Je nach den Ultraschallbedingungen bildete das System verschiedene selbstorganisierte Strukturen, darunter kinetisch gesteuerte Konglomerate und ein thermodynamisch stabiles racemisches supramolekulares Polymer. In der Studie wurde ausdrücklich ein Hielscher UP50H-Ultraschallprozessor für die Ultraschallbehandlung verwendet, der bei 30 kHz, 50 W und 100 % Amplitude betrieben wurde.
Dieses Ergebnis ist für die moderne Materialchemie von großer Bedeutung, da es zeigt, dass Ultraschall nicht nur ein Mittel zum Mischen oder Dispergieren ist. Unter genau definierten Bedingungen kann die Ultraschallbehandlung als Prozessparameter zur Steuerung molekularer Abläufe dienen.

Warum Ultraschallphänomene in der Chemie eine Rolle spielen

Ultraschalleffekte in der Chemie werden hauptsächlich durch akustische Kavitation verursacht. Wenn hochintensiver Ultraschall in eine Flüssigkeit eingeleitet wird, entstehen durch wechselnde Druckzyklen mikroskopisch kleine Kavitationsblasen. Ihr Wachstum und ihr Zusammenbruch führen zu lokal begrenzten Hochenergiezuständen, intensiven Mikroströmungen, starken Schergradienten und einem effizienten Stoffaustausch. In chemischen und materialwissenschaftlichen Prozessen können diese Effekte die Keimbildung, Aggregation, Partikelbildung, Dispersion, Kristallisation und Selbstorganisation beeinflussen.
In der supramolekularen Chemie ist dies besonders wertvoll, da viele Systeme vom jeweiligen Ablauf abhängig sind. Ein und dasselbe Molekül kann sich je nach Reihenfolge und Intensität der Energiezufuhr, Temperatur, Konzentration, Zusammensetzung des Lösungsmittels und Zeit zu unterschiedlichen Polymorphen zusammenlagern. Die Ultraschallbehandlung bietet eine kontrollierbare Möglichkeit, mechanische Energie in das System einzubringen, ohne die molekulare Struktur des Bausteins zu verändern.
Für Chemieingenieure ist dies ein entscheidender Vorteil: Ultraschall lässt sich parametrisieren. Amplitude, Leistung, Sonotroden- und Reaktorgeometrie, Temperatur, Verweilzeit, Druck und Durchflussmenge können angepasst, überwacht und von Machbarkeitstests auf größere Verarbeitungsmengen übertragen werden.

Ultraschallbehandlung als Mittel zur Steuerung der Selbstorganisation

In der Studie wurde die Selbstorganisation eines racemischen Gemischs aus zwei enantiomeren Perylenbisimid-Molekülen untersucht. Ohne den richtigen äußeren Reiz können solche Systeme einem bevorzugten Aggregationsweg folgen oder in metastabilen Zuständen stecken bleiben. Durch den Einsatz kontrollierter Ultraschallbehandlung gelang es den Forschern, verschiedene supramolekulare Ergebnisse zu erzielen.
Das wichtigste Ergebnis ist einfach, aber aussagekräftig: Die Ultraschallbehandlung veränderte den Selbstorganisationsprozess. Bei bestimmten Temperaturen und Konzentrationen förderte der Leistungsultraschall den Übergang von einem Aggregatzustand in einen anderen. Unter kinetischen Ultraschallbedingungen bildete das System ein supramolekulares Konglomerat. Unter thermodynamischen Ultraschallbedingungen bildete es ein racemisches supramolekulares Polymer mit einer anderen Morphologie und höherer Stabilität.
Die wissenschaftliche Bedeutung liegt in der Möglichkeit, zu beeinflussen, ob homochirale oder heterochirale Aggregation überwiegt. Die industrielle Bedeutung ergibt sich aus einem umfassenderen Konzept: Die Ultraschallbehandlung kann dazu beitragen, die molekulare Organisation zu steuern, und nicht nur den Verarbeitungsprozess zu beschleunigen.

Dies ist relevant für:

• supramolekulare Polymere und funktionelle organische Materialien
• Forschung im Bereich der chiralen Aggregation und der Racemat-Trennung
• Kristallisation und Polymorph-Screening
• Bildung von Nanofasern, Nanostäbchen und Farbstoffaggregaten
• Formulierungsentwicklung und fortschrittliche Materialverarbeitung
• Skalierung ultraschallunterstützter chemischer Prozesse

Die Rolle von Hielscher-Ultraschallgeräten in der supramolekularen Chemie

Für die experimentellen Arbeiten wurde die Ultraschallbehandlung mit dem Hielscher UP50H durchgeführt, einem kompakten Labor-Ultraschallgerät. Der UP50H ist ein 50-W-Ultraschallgerät mit 30 kHz und Sondenausführung, das für kleine Laborproben konzipiert ist und in chemischen, biologischen, medizinischen und analytischen Labors zum Einsatz kommt. Hielscher beschreibt den UP50H als geeignet für den Hand- oder Ständerbetrieb sowie für Aufgaben wie das Dispergieren, Auflösen, Emulgieren und Homogenisieren kleiner Probenvolumina.
In dieser Studie lieferte das UP50H die Ultraschallenergie, die erforderlich war, um die Umwandlung supramolekularer Aggregate auszulösen und zu steuern. Dies verdeutlicht einen wichtigen praktischen Aspekt für Chemiker: Die Ultraschallbehandlung in kleinen Volumina im Labor kann Prozessfenster aufzeigen, die sich durch Rühren, Erhitzen oder passives Altern allein nur schwer identifizieren lassen.
In der supramolekularen Chemie können sondenartige Ultraschallgeräte wie das UP50H daher nicht nur zur Probenvorbereitung, sondern auch als aktive experimentelle Variable eingesetzt werden. Durch Variation der Ultraschalltemperatur und -dauer können Forscher kinetische und thermodynamische Bereiche untersuchen, Aggregationswege screenen und metastabile oder stabile Polymorphe identifizieren.
 

Spektroskopische Untersuchungen des racemischen Gemischs aus (R,R)- und (S,S)-PBI. a Chemische Strukturen von (R,R)- und (S,S)-PBI sowie schematische Darstellung der ultraschallinduzierten supramolekularen Polymerisation des racemischen Gemischs aus (R,R)- und (S,S)-PBI zu den Konglomeraten Con-Agg 1 und Con-Agg 2 sowie zum racemischen supramolekularen Polymer Rac-Agg 4.
Studie und Schema: ©Wehner et al., 2020

Von der Entdeckung im Labor bis zur skalierbaren Ultraschallverarbeitung

Ein wesentlicher Vorteil der Hielscher-Ultraschallgeräte ist die Verfügbarkeit von Ultraschallgeräten über die gesamte Entwicklungskette hinweg: von kompakten Laborgeräten über Tischgeräte bis hin zu industriellen Ultraschallprozessoren. Hielscher bietet Ultraschallgeräte und -sonden für die Flüssigkeitsverarbeitung vom Labormaßstab bis zum Produktionsmaßstab an, mit Anwendungsbereichen wie chemische Verarbeitung, Partikelgrößenreduktion, Extraktion, Dispergierung und Homogenisierung.
Dies ist von Bedeutung, da viele vielversprechende sonochemische oder supramolekulare Erkenntnisse den Sprung aus dem Labor nicht schaffen, wenn der Prozess nicht in größerem Maßstab reproduziert werden kann. Hielschers Ansatz zur Entwicklung von Ultraschallprozessen basiert auf steuerbaren Parametern und skalierbaren Anlagenkonfigurationen. Sobald ein effektives Ultraschall-Prozessfenster identifiziert wurde, kann der Prozess auf größere Ultraschallsysteme übertragen werden, indem die entsprechenden Energiezufuhr und Prozessbedingungen beibehalten werden.
Für industrielle Anwender bedeutet dies, dass die Ultraschallbehandlung nicht nur als Forschungsmethode, sondern auch als Verfahrenstechnik betrachtet werden kann.

Inline-Ultraschallbehandlung für die kontinuierliche chemische Verarbeitung

Die Chargen-Ultraschallbehandlung eignet sich für Laboruntersuchungen und die Optimierung kleiner Volumina. Die chemische Produktion erfordert jedoch häufig einen kontinuierlichen Betrieb, Reproduzierbarkeit und definierte Verweilzeiten. Die Ultraschallsysteme von Hielscher unterstützen die Inline-Ultraschallbehandlung, bei der Flüssigkeiten durch eine Ultraschall-Durchflusszelle oder einen Reaktor gepumpt und unter kontrollierten Bedingungen dem Kavitationsfeld ausgesetzt werden.
Die Inline-Ultraschallbehandlung kann im Einmal- oder im Umwälzbetrieb durchgeführt werden, sodass die Flüssigkeit einmal oder mehrmals durch die Ultraschallbehandlungszone geleitet wird. Hielscher gibt an, dass seine Ultraschallgeräte sowohl für die chargenweise als auch für die kontinuierliche Inline-Verarbeitung erhältlich sind, von Labor- und Tischgeräten bis hin zum industriellen Maßstab.

Für die supramolekulare Chemie und die Verfahrenstechnik bietet die Inline-Ultraschallbehandlung mehrere Vorteile:

• gesteuerte Verweildauer in der Kavitationszone
• verbesserte Reproduzierbarkeit im Vergleich zum unkontrollierten Rühren der Charge
• Besseres Wärmemanagement durch Durchflusszellen und externe Kühlung
• kontinuierliche Verarbeitung bei größeren Mengen
• einfachere Integration in bestehende chemische Produktionslinien
• skalierbare Behandlungsintensität durch Anpassung von Durchflussrate, Amplitude und Reaktorkonfiguration

In der reaktionswegabhängigen Chemie können diese Parameter von entscheidender Bedeutung sein. Reagiert ein supramolekulares System auf kurze, intensive Ultraschallbehandlung anders als auf eine längere, milde Ultraschallbehandlung, bietet die Inline-Verarbeitung den technischen Rahmen, um diese Einwirkung zu definieren und zu reproduzieren.

Lineare Skalierung: Vom sonochemischen Screening bis zur Produktion

Die Ultraschalltechnologie von Hielscher ist für die Skalierung vom Laborversuch bis zur industriellen Verarbeitung ausgelegt. Bei großen Anlagen können Prozessparameter wie Amplitude, Druck und Temperatur in kleineren Aufbauten optimiert und anschließend auf Anlagen mit höherem Durchsatz übertragen werden. Hielscher beschreibt die Effizienz von Ultraschallprozessen als linear skalierbar, sobald die optimale Parameterkonfiguration ermittelt wurde.
Diese lineare Skalierbarkeit ist besonders wichtig für Chemiker und Verfahrenstechniker, die mit empfindlichen supramolekularen Systemen arbeiten. Selbstorganisierte Materialien sind oft von engen Prozessfenstern abhängig. Eine Veränderung der Mischintensität, der Verweilzeit, des Temperaturprofils oder der Energiedichte kann die Produktmorphologie verändern. Skalierbare Ultraschallsysteme tragen dazu bei, dieses Risiko zu verringern, indem sie definierte Beschallungsbedingungen beibehalten, während der Prozess von Millilitern über Liter bis hin zu Durchflussraten im Produktionsmaßstab skaliert wird.
Hielscher bietet außerdem industrielle Inline-Reaktoren wie den MultiSonoReactor für die Inline-Ultraschallbehandlung mit hohem Durchsatz an. Diese Systeme sind für Anwendungen wie Homogenisierung, Mischen, Dispergieren, Extraktion und sonochemische Reaktionen ausgelegt.

Wissenschaftliche und industrielle Bedeutung ultraschallgesynthetisierter supramolekularer Polymorphe

Die Studie zum ultraschallgesteuerten supramolekularen Polymorphismus ist von Bedeutung, da sie zeigt, wie Ultraschalleffekte in der Chemie genutzt werden können, um aus demselben molekularen System unterschiedliche Materialzustände zu erzielen. Anstatt das Molekül zu verändern, haben die Forscher die Prozessbedingungen angepasst. Genau hier liegt der Reiz der Ultraschallbehandlung für die industrielle Chemie: Sie kann die Ergebnisse durch Prozessintensivierung verbessern, anstatt zusätzliche Syntheseschritte zu erfordern.
Für die wissenschaftliche Forschung tragen die Ergebnisse zu einem tieferen Verständnis der chiralen Selbstorganisation, des kinetischen Einfangens, der thermodynamischen Steuerung und supramolekularer Energielandschaften bei. Für die Industrie können dieselben Prinzipien zu einem verbesserten Screening von Polymorphen, einer schnelleren Entwicklung funktioneller Materialien, einer besseren Kontrolle über die Aggregatmorphologie und einer reproduzierbareren Verarbeitung fortschrittlicher chemischer Systeme beitragen.

In der Praxis kann die Ultraschallbehandlung Chemikern und Chemieingenieuren helfen:

• die Selbstorganisationsprozesse beschleunigen
• sonst unzugängliche Aggregationswege fördern
• die Reproduzierbarkeit in signalwegabhängigen Systemen verbessern
• die Abhängigkeit von langen Ausgleichszeiten verringern
• kinetische und thermodynamische Produktzustände anzeigen
• vielversprechende Laborergebnisse in Inline-Prozesse übertragen

Ultraschallverarbeitung als Schlüsseltechnologie

Hochleistungsultraschall ist eine Schlüsseltechnologie für die supramolekulare Chemie. Durch die kontrollierte Zufuhr von akustischer Energie lässt sich die molekulare Organisation komplexer Systeme beeinflussen und der Zugang zu Strukturen ermöglichen, die allein durch herkömmliches Rühren oder thermische Behandlung nur schwer zu erreichen sind.
Anhand des Hielscher UP50H verdeutlicht die zitierte Studie den Nutzen präziser Labor-Ultraschallbehandlung für die supramolekulare Grundlagenforschung. Mit den größeren Tisch- und Industrie-Ultraschallgeräten von Hielscher lässt sich dieselbe Technologieplattform auf Prozessoptimierung, Inline-Behandlung und lineares Scale-up ausweiten.
Für Chemiker eröffnet dies neue experimentelle Wege im Bereich der Selbstorganisation und der Steuerung von Polymorphen. Für Chemieingenieure bietet es ein skalierbares Verfahrenswerkzeug, um Ultraschalleffekte in der Chemie in zuverlässige Produktionsstrategien umzusetzen.

In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallhomogenisatoren:

Design, Herstellung und Beratung – Qualität Made in Germany

Hielscher Ultraschallgeräte sind bekannt für höchste Qualität und Designstandards. Robustheit und einfache Bedienung ermöglichen die problemlose Integration unserer Ultraschallgeräte in industrielle Anlagen. Raue Bedingungen und anspruchsvolle Umgebungen sind für Hielscher Ultraschallgeräte kein Problem.

Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt großen Wert darauf, Hochleistungs-Ultraschallgeräte zu entwickeln und zu produzieren, die sich durch modernste Technik und Benutzerfreundlichkeit auszeichnen. Selbstverständlich sind Hielscher Sonicators CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.

Literatur / Literaturhinweise