Beschallung eröffnet neue Wege in der supramolekularen Chemie

Die supramolekulare Chemie beruht auf schwachen, reversiblen Wechselwirkungen: Wasserstoffbrückenbindungen, π–π-Stapelung, Van-der-Waals-Kräfte, solvophobe Effekte und chirale Erkennung. Diese Wechselwirkungen ermöglichen es Molekülen, sich selbst zu größeren Architekturen 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 entsteht und ob sie kinetisch gefangen bleibt oder den thermodynamisch stabilsten Zustand erreicht.

Ultraschalleffekte in der Chemie: Beschallung steuert die supramolekulare Selbstassemblierung

Eine in Nature Communications veröffentlichte wissenschaftliche Studie von Wehner et al. (2020) zeigt, dass Ultraschallbehandlung als wirksamer externer Stimulus zur Steuerung von Selbstassemblierungswegen in der supramolekularen Chemie eingesetzt werden kann. Die Forscher untersuchten ein racemisches Gemisch chiraler Perylenbisimid-Moleküle und zeigten, dass Beschallung die Bildung unterschiedlicher supramolekularer Polymorphe steuern konnte. Je nach Ultraschallbedingungen bildete das System verschiedene selbstassemblierte Strukturen, darunter kinetisch kontrollierte Konglomerate und ein thermodynamisch stabiles racemisches supramolekulares Polymer. Für die Ultraschallbehandlung wurde in der Studie ausdrücklich ein Ultraschallprozessor UP50H von Hielscher eingesetzt, der bei 30 kHz, 50 W und 100% Amplitude betrieben wurde.
Dieses Ergebnis ist für die moderne Materialchemie von großer Bedeutung, weil es zeigt, dass Ultraschall mehr als ein Werkzeug zum Mischen oder Dispergieren ist. Unter genau definierten Bedingungen kann die Beschallung als Prozessparameter zur Steuerung molekularer Assemblierungswege dienen.

Warum Ultraschalleffekte in der Chemie wichtig sind

Ultraschalleffekte in der Chemie werden hauptsächlich durch akustische Kavitation verursacht. Wenn Ultraschall hoher Intensität in eine Flüssigkeit eingeleitet wird, erzeugen wechselnde Druckzyklen mikroskopisch kleine Kavitationsblasen. Ihr Wachstum und Kollaps führen lokal zu energiereichen Bedingungen, intensiven Mikroströmungen, starken Schergradienten und effizientem Stofftransport. In chemischen Prozessen und bei der Materialverarbeitung können diese Effekte Keimbildung, Aggregation, Partikelbildung, Dispergierung, Kristallisation und Selbstassemblierung beeinflussen.
In der supramolekularen Chemie ist dies besonders wertvoll, weil viele Systeme vom Assemblierungsweg abhängen. Dasselbe Molekül kann sich zu unterschiedlichen Polymorphen assemblieren, abhängig von der Reihenfolge und Intensität des Energieeintrags, der Temperatur, der Konzentration, der Lösungsmittelzusammensetzung und der Zeit. Die Beschallung bietet eine kontrollierbare Möglichkeit, mechanische Energie in das System einzutragen, 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 Volumenstrom können eingestellt, überwacht und von Machbarkeitsversuchen auf größere Verarbeitungsvolumina übertragen werden.

Beschallung als Werkzeug zur Steuerung der Selbstassemblierung

Die Studie untersuchte die Selbstassemblierung eines racemischen Gemischs zweier enantiomerer Perylenbisimid-Moleküle. Ohne den geeigneten externen Stimulus können solche Systeme einem bevorzugten Aggregationsweg folgen oder in metastabilen Zuständen gefangen bleiben. Durch kontrollierte Ultraschallbehandlung konnten die Forscher unterschiedliche supramolekulare Ergebnisse erzielen.
Die zentrale Erkenntnis ist einfach, aber bedeutend: Die Beschallung veränderte den Selbstassemblierungsweg. Bei bestimmten Temperaturen und Konzentrationen förderte Leistungsultraschall die Umwandlung von einer Aggregatform in eine andere. Unter kinetischen Beschallungsbedingungen bildete das System ein supramolekulares Konglomerat. Unter thermodynamischen Beschallungsbedingungen 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 dominiert. Die industrielle Bedeutung liegt im übergeordneten Konzept: Beschallung kann helfen, die molekulare Organisation zu steuern, und nicht nur die Verarbeitung zu beschleunigen.

Dies ist relevant für:

• supramolekulare Polymere und funktionelle organische Materialien
• chirale Aggregation und Forschung zur Racematspaltung
• Kristallisation und Polymorph-Screening
• Bildung von Nanofasern, Nanostäbchen und Farbstoffaggregaten
• Formulierungsentwicklung und Verarbeitung fortschrittlicher Materialien
• Maßstabsvergrößerung ultraschallunterstützter chemischer Prozesse

Die Rolle der Ultraschallgeräte von Hielscher in der supramolekularen Chemie

Für die experimentellen Arbeiten erfolgte die Ultraschallbehandlung mit dem UP50H von Hielscher, einem kompakten Ultraschallprozessor für das Labor. Der UP50H ist ein Ultraschallgerät mit Sonotrode, einer Leistung von 50 W und einer Frequenz von 30 kHz, das für kleine Laborproben ausgelegt ist und in chemischen, biologischen, medizinischen und analytischen Laboren eingesetzt wird. Hielscher beschreibt den UP50H als geeignet für den handgeführten oder stativmontierten Betrieb sowie für Aufgaben wie das Dispergieren, Lösen, Emulgieren und Homogenisieren kleiner Probenvolumina.
In dieser Studie lieferte der UP50H die Ultraschallenergie, die erforderlich war, um die Umwandlung supramolekularer Aggregate auszulösen und zu steuern. Dies verdeutlicht einen wichtigen praktischen Aspekt für Chemiker: Die Beschallung kleiner Volumina im Labor kann Prozessfenster aufzeigen, die sich allein durch Rühren, Erwärmen oder passive Alterung sonst nur schwer identifizieren lassen.
In der supramolekularen Chemie können Ultraschallgeräte mit Sonotrode wie der UP50H daher nicht nur zur Probenvorbereitung, sondern auch als aktive experimentelle Variable eingesetzt werden. Durch Veränderung der Beschallungstemperatur und -dauer können Forscher kinetische und thermodynamische Regime untersuchen, Aggregationswege systematisch prüfen 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 und 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 zur skalierbaren Ultraschallverarbeitung

Ein wesentlicher Vorteil der Ultraschallgeräte von Hielscher ist die Verfügbarkeit von Ultraschalltechnik entlang der gesamten Entwicklungskette: von kompakten Laborgeräten über Tischsysteme bis hin zu industriellen Ultraschallprozessoren. Hielscher bietet Ultraschallgeräte und Sonotroden zur Flüssigkeitsverarbeitung vom Labor- bis zum Produktionsmaßstab an, mit Anwendungen wie chemischer Verarbeitung, Partikelgrößenreduktion, Extraktion, Dispergierung und Homogenisierung.
Dies ist wichtig, weil viele vielversprechende sonochemische oder supramolekulare Erkenntnisse den Sprung aus dem Labor nicht schaffen, wenn sich der Prozess im größeren Maßstab nicht reproduzieren lässt. Der Ansatz von Hielscher zur Entwicklung von Ultraschallprozessen beruht auf kontrollierbaren Parametern und skalierbaren Gerätekonfigurationen. Sobald ein wirksames Prozessfenster für die Ultraschallbehandlung identifiziert wurde, kann der Prozess unter Beibehaltung des relevanten Energieeintrags und der Verarbeitungsbedingungen auf größere Ultraschallsysteme übertragen werden.
Für industrielle Anwender bedeutet dies, dass Beschallung nicht nur als Forschungsmethode, sondern auch als Prozesstechnologie betrachtet werden kann.

Inline-Beschallung für die kontinuierliche chemische Verarbeitung

Die Beschallung im Chargenbetrieb eignet sich für Screening im Labor 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-Beschallung, bei der Flüssigkeiten durch eine Ultraschall-Durchflusszelle oder einen Reaktor gepumpt und unter kontrollierten Bedingungen dem Kavitationsfeld ausgesetzt werden.
Die Inline-Beschallung kann im Einzeldurchlauf oder im Rezirkulationsbetrieb erfolgen, sodass die Flüssigkeit die Ultraschallbehandlungszone einmal oder mehrfach durchläuft. Hielscher gibt an, dass seine Ultraschallprozessoren sowohl für die Chargenverarbeitung als auch für die kontinuierliche Inline-Verarbeitung verfügbar sind, von Labor- und Tischgeräten bis zum vollständigen industriellen Maßstab.

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

• kontrollierte Verweilzeit in der Kavitationszone
• verbesserte Reproduzierbarkeit gegenüber unkontrollierter Durchmischung im Chargenbetrieb
• besseres Wärmemanagement durch Durchflusszellen und externe Kühlung
• kontinuierliche Verarbeitung größerer Volumina
• einfachere Integration in bestehende chemische Produktionslinien
• skalierbare Behandlungsintensität durch Anpassung von Volumenstrom, Amplitude und Reaktorkonfiguration

In der vom Reaktions- oder Assemblierungsweg abhängigen Chemie können diese Parameter entscheidend sein. Wenn ein supramolekulares System auf kurze, intensive Beschallung anders reagiert als auf längere, milde Beschallung, bietet die Inline-Verarbeitung den verfahrenstechnischen Rahmen, um diese Ultraschalleinwirkung zu definieren und zu reproduzieren.

Lineare Maßstabsvergrößerung: Vom sonochemischen Screening zur Produktion

Die Ultraschalltechnologie von Hielscher ist für die Maßstabsvergrößerung von Laborversuchen bis zur industriellen Verarbeitung ausgelegt. Für große Systeme können Prozessparameter wie Amplitude, Druck und Temperatur in kleineren Anlagen optimiert und anschließend auf Geräte mit höherem Durchsatz übertragen werden. Hielscher beschreibt die Effizienz von Ultraschallprozessen als linear skalierbar, sobald die optimale Parameterkonfiguration identifiziert wurde.
Diese Möglichkeit der linearen Maßstabsvergrößerung ist besonders wichtig für Chemiker und Verfahrensingenieure, die mit empfindlichen supramolekularen Systemen arbeiten. Selbstassemblierte Materialien hängen häufig von engen Prozessfenstern ab. Eine Veränderung der Mischintensität, der Verweilzeit, des Temperaturprofils oder der Energiedichte kann die Produktmorphologie verändern. Skalierbare Ultraschallsysteme helfen, dieses Risiko zu verringern, indem sie definierte Beschallungsbedingungen beim Übergang von Millilitern zu Litern und schließlich zu Volumenströmen im Produktionsmaßstab beibehalten.
Hielscher bietet auch industrielle Inline-Reaktoren wie den MultiSonoReactor für die Inline-Beschallung mit hohem Durchsatz an. Diese Systeme sind für Anwendungen wie Homogenisierung, Mischen, Dispergierung, Extraktion und sonochemische Reaktionen ausgelegt.

Wissenschaftliche und industrielle Bedeutung ultraschallsynthetisierter supramolekularer Polymorphe

Die Studie zum ultraschallgesteuerten supramolekularen Polymorphismus ist bedeutsam, weil sie zeigt, wie Ultraschalleffekte in der Chemie genutzt werden können, um aus demselben molekularen System unterschiedliche Materialzustände zu erhalten. Statt das Molekül zu verändern, veränderten die Forscher die Prozessbedingungen. Genau hier wird die Beschallung für die industrielle Chemie interessant: Sie kann Ergebnisse durch Prozessintensivierung verbessern, statt zusätzliche Syntheseschritte zu erfordern.
Für die wissenschaftliche Forschung tragen die Ergebnisse zu einem tieferen Verständnis der chiralen Selbstassemblierung, des kinetischen Einfangens, der thermodynamischen Kontrolle und supramolekularer Energielandschaften bei. Für die Industrie können dieselben Prinzipien ein verbessertes Screening von Polymorphen, eine schnellere Entwicklung funktioneller Materialien, eine bessere Kontrolle der Aggregatmorphologie und eine reproduzierbarere Verarbeitung fortschrittlicher chemischer Systeme unterstützen.

In der Praxis kann Beschallung Chemikern und Chemieingenieuren helfen:

• Umwandlungen bei der Selbstassemblierung zu beschleunigen
• sonst unzugängliche Aggregationswege zu fördern
• die Reproduzierbarkeit in vom Assemblierungsweg abhängigen Systemen zu verbessern
• die Abhängigkeit von langen Zeiten zur Gleichgewichtseinstellung zu verringern
• kinetische und thermodynamische Produktzustände systematisch zu prüfen
• vielversprechende Laborergebnisse in Inline-Prozesse zu übertragen

Ultraschallverarbeitung als Schlüsseltechnologie

Leistungsultraschall ist eine Schlüsseltechnologie für die supramolekulare Chemie. Der kontrollierte Eintrag akustischer Energie kann die molekulare Organisation komplexer Systeme beeinflussen und den Zugang zu Strukturen ermöglichen, die allein durch konventionelles Rühren oder thermische Behandlung schwer zu erhalten sind.
Mit dem UP50H von Hielscher zeigt die zitierte Studie den Wert präziser Beschallung im Labor für die supramolekulare Grundlagenforschung. Mit den größeren Tisch- und Industrie-Ultraschallgeräten von Hielscher lässt sich dieselbe Technologieplattform auf Prozessoptimierung, Inline-Behandlung und lineare Maßstabsvergrößerung ausweiten.
Für Chemiker eröffnet dies neue experimentelle Wege zur Selbstassemblierung und Kontrolle von Polymorphen. Für Chemieingenieure bietet es ein skalierbares Prozesswerkzeug, um Ultraschalleffekte in der Chemie in zuverlässige Produktionsstrategien zu überführen.

Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Anhaltspunkt für die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte:

Entwicklung, Fertigung und Beratung – Qualität Made in Germany

Die Ultraschallgeräte von Hielscher sind für ihre höchsten Qualitäts- und Konstruktionsstandards bekannt. Robustheit und einfache Bedienung ermöglichen die reibungslose Integration unserer Ultraschallgeräte in industrielle Anlagen. Die Ultraschallgeräte von Hielscher bewältigen raue Bedingungen und anspruchsvolle Umgebungen problemlos.

Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt besonderen Wert auf leistungsstarke Ultraschallgeräte mit modernster Technologie und Benutzerfreundlichkeit. Selbstverständlich sind die Ultraschallgeräte von Hielscher CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.

Literatur / Referenzen

• 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.