Η υπερηχητική επεξεργασία ανοίγει νέους δρόμους στην υπερμοριακή χημεία

Η υπερμοριακή χημεία βασίζεται σε ασθενείς, αναστρέψιμες αλληλεπιδράσεις: δεσμούς υδρογόνου, στοιβάξεις π–π, δυνάμεις van der Waals, φαινόμενα σολβοφοβίας και αναγνώριση χειρότητας. Αυτές οι αλληλεπιδράσεις επιτρέπουν στα μόρια να αυτοοργανώνονται σε μεγαλύτερες δομές, όπως ίνες, ράβδους, πηκτώματα, συσσωματώματα και υπερμοριακά πολυμερή. Για τους χημικούς και τους χημικούς μηχανικούς, η πρόκληση δεν συνίσταται μόνο στη δημιουργία τέτοιων δομών, αλλά και στον έλεγχο του είδους της δομής που σχηματίζεται, της ταχύτητας με την οποία σχηματίζεται και του αν παραμένει κινητικά παγιδευμένη ή φτάνει στη θερμοδυναμικά πιο σταθερή κατάσταση.

Οι επιδράσεις των υπερήχων στη χημεία: Η υπερηχητική επεξεργασία ρυθμίζει την υπερμοριακή αυτοσυναρμολόγηση

Μια επιστημονική μελέτη των Wehner κ.ά. (2020), που δημοσιεύθηκε στο Nature Communications, αποδεικνύει ότι η υπερηχητική επεξεργασία μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ισχυρό εξωτερικό ερέθισμα για τον έλεγχο των διαδικασιών αυτοσυναρμολόγησης στην υπερμοριακή χημεία. Οι ερευνητές μελέτησαν ένα ρακεμικό μείγμα χειρόμορφων μορίων περυλενίου δισιμιδίου και έδειξαν ότι η υπερηχητική επεξεργασία μπορούσε να καθοδηγήσει τον σχηματισμό διακριτών υπερμοριακών πολυμορφών. Ανάλογα με τις συνθήκες υπερήχων, το σύστημα παρήγαγε διαφορετικές αυτοσυναρμολογούμενες δομές, συμπεριλαμβανομένων κινητικά ελεγχόμενων συσσωματωμάτων και ενός θερμοδυναμικά σταθερού ρακεμικού υπερμοριακού πολυμερούς. Στη μελέτη χρησιμοποιήθηκε συγκεκριμένα ένας υπερηχητικός επεξεργαστής Hielscher UP50H για την υπερηχητική επεξεργασία, ο οποίος λειτουργούσε στα 30 kHz, 50 W και 100% πλάτος.
Το αποτέλεσμα αυτό έχει μεγάλη σημασία για τη σύγχρονη χημεία υλικών, καθώς αποδεικνύει ότι ο υπέρηχος δεν αποτελεί απλώς ένα εργαλείο ανάμειξης ή διασποράς. Υπό σαφώς καθορισμένες συνθήκες, η υπερηχητική επεξεργασία μπορεί να λειτουργήσει ως παράμετρος της διεργασίας για τον έλεγχο της μοριακής πορείας.

Γιατί τα φαινόμενα των υπερήχων έχουν σημασία στη χημεία

Τα φαινόμενα που προκαλούνται από τους υπερήχους στη χημεία οφείλονται κυρίως στην ακουστική σπηλαίωση. Όταν υπερήχοι υψηλής έντασης εισάγονται σε ένα υγρό, οι εναλλασσόμενοι κύκλοι πίεσης δημιουργούν μικροσκοπικές φυσαλίδες σπηλαίωσης. Η ανάπτυξη και η κατάρρευσή τους παράγουν τοπικές συνθήκες υψηλής ενέργειας, έντονη μικροροή, ισχυρές κλίσεις διάτμησης και αποτελεσματική μεταφορά μάζας. Στις χημικές διεργασίες και στις διεργασίες επεξεργασίας υλικών, αυτά τα φαινόμενα μπορούν να επηρεάσουν τη πυρήνωση, τη συσσωμάτωση, τον σχηματισμό σωματιδίων, τη διασπορά, την κρυστάλλωση και την αυτοσυναρμολόγηση.
Στην υπερμοριακή χημεία, αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό, καθώς πολλά συστήματα εξαρτώνται από τη διαδρομή που ακολουθούν. Το ίδιο μόριο μπορεί να σχηματίσει διαφορετικούς πολυμορφισμούς, ανάλογα με τη σειρά και την ένταση της εισροής ενέργειας, τη θερμοκρασία, τη συγκέντρωση, τη σύνθεση του διαλύτη και το χρόνο. Η υπερηχητική επεξεργασία προσφέρει έναν ελεγχόμενο τρόπο εισαγωγής μηχανικής ενέργειας στο σύστημα, χωρίς να μεταβάλλεται η μοριακή δομή του δομικού στοιχείου.
Για τους χημικούς μηχανικούς, αυτό αποτελεί καθοριστικό πλεονέκτημα: οι υπερήχοι μπορούν να ρυθμιστούν. Το πλάτος, η ισχύς, η γεωμετρία του σονοτροδίου και του αντιδραστήρα, η θερμοκρασία, ο χρόνος παραμονής, η πίεση και ο ρυθμός ροής μπορούν να ρυθμιστούν, να παρακολουθούνται και να εφαρμοστούν από τις δοκιμές σκοπιμότητας σε μεγαλύτερους όγκους επεξεργασίας.

Η υπερηχητική επεξεργασία ως εργαλείο ελέγχου της αυτοσυναρμολόγησης

Η μελέτη εξέτασε την αυτοσυναρμολόγηση ενός ρακεμικού μίγματος δύο εναντιομερών μορίων περυλενίου δισιμιδίου. Ελλείψει του κατάλληλου εξωτερικού ερεθίσματος, τέτοια συστήματα ενδέχεται να ακολουθήσουν μια προτιμώμενη οδό συσσωμάτωσης ή να παγιδευτούν σε μετασταθείς καταστάσεις. Με την εφαρμογή ελεγχόμενης υπερηχητικής επεξεργασίας, οι ερευνητές κατάφεραν να επιτύχουν διαφορετικά υπερμοριακά αποτελέσματα.
Το βασικό συμπέρασμα είναι απλό αλλά σημαντικό: η υπερηχητική επεξεργασία άλλαξε τη διαδικασία αυτοσυναρμολόγησης. Σε συγκεκριμένες θερμοκρασίες και συγκεντρώσεις, ο ισχυρός υπέρηχος προώθησε τη μετατροπή από τη μία κατάσταση συσσωμάτωσης σε άλλη. Υπό συνθήκες κινητικής υπερήχησης, το σύστημα σχημάτισε ένα υπερμοριακό συσσωμάτωμα. Υπό συνθήκες θερμοδυναμικής υπερήχησης, σχημάτισε ένα ρακεμικό υπερμοριακό πολυμερές με διαφορετική μορφολογία και μεγαλύτερη σταθερότητα.
Ο επιστημονικός αντίκτυπος έγκειται στη δυνατότητα να επηρεαστεί το αν θα επικρατήσει η ομοχιραλική ή η ετεροχιραλική συσσωμάτωση. Ο βιομηχανικός αντίκτυπος έγκειται στην ευρύτερη έννοια: η υπερηχητική επεξεργασία μπορεί να συμβάλει στον έλεγχο της μοριακής οργάνωσης, και όχι απλώς στην επιτάχυνση της επεξεργασίας.

Αυτό αφορά:

• υπερμοριακά πολυμερή και λειτουργικά οργανικά υλικά
• έρευνα σχετικά με τη χειραλική συσσωμάτωση και τον διαχωρισμό ρακεμικών μορφών
• κρυστάλλωση και διαλογή πολυμορφισμών
• σχηματισμός νανοϊνών, νανοράβδων και συσσωματωμάτων χρωστικών ουσιών
• ανάπτυξη συνθέσεων και επεξεργασία προηγμένων υλικών
• κλιμάκωση χημικών διεργασιών με τη βοήθεια υπερήχων

Ο ρόλος των υπερηχητικών συσκευών Hielscher στην υπερμοριακή χημεία

Για την πειραματική εργασία, η υπερηχητική επεξεργασία πραγματοποιήθηκε με το Hielscher UP50H, έναν συμπαγή εργαστηριακό υπερηχητικό επεξεργαστή. Το UP50H είναι ένας υπερηχητικός επεξεργαστής τύπου αισθητήρα ισχύος 50 W και συχνότητας 30 kHz, σχεδιασμένος για μικρά εργαστηριακά δείγματα, ο οποίος χρησιμοποιείται σε χημικά, βιολογικά, ιατρικά και αναλυτικά εργαστήρια. Η Hielscher περιγράφει τον UP50H ως κατάλληλο για χειροκίνητη ή σταθερή λειτουργία και για εργασίες όπως η διασπορά, η διάλυση, η γαλακτωματοποίηση και η ομογενοποίηση μικρών όγκων δειγμάτων.
Στη μελέτη αυτή, το UP50H παρείχε την υπερηχητική ενέργεια που απαιτείται για την ενεργοποίηση και τον έλεγχο της μετατροπής των υπερμοριακών συσσωματωμάτων. Αυτό καταδεικνύει ένα σημαντικό πρακτικό σημείο για τους χημικούς: η υπερηχητική επεξεργασία μικρού όγκου σε εργαστηριακές συνθήκες μπορεί να αποκαλύψει παράθυρα διεργασίας που είναι δύσκολο να εντοπιστούν με την απλή ανάδευση, τη θέρμανση ή την παθητική παλαίωση.
Στην υπερμοριακή χημεία, οι υπερηχητικοί μετατροπείς τύπου «probe», όπως ο UP50H, μπορούν επομένως να χρησιμοποιηθούν όχι μόνο για την προετοιμασία δειγμάτων, αλλά και ως ενεργή πειραματική μεταβλητή. Με την αλλαγή της θερμοκρασίας και της διάρκειας της υπερηχητικής επεξεργασίας, οι ερευνητές μπορούν να μελετήσουν κινητικά και θερμοδυναμικά καθεστώτα, να εξετάσουν τις οδούς συσσωμάτωσης και να προσδιορίσουν μετασταθείς ή σταθερούς πολυμορφισμούς.
 

Φασματοσκοπικές μελέτες του ρακεμικού μίγματος (R,R)- και (S,S)-PBI. α Χημικές δομές των (R,R)- και (S,S)-PBI και σχηματική απεικόνιση του επαγόμενου από υπερήχους υπερμοριακού πολυμερισμού του ρακεμικού μίγματος (R,R)- και (S,S)-PBI σε συσσωματώματα Con-Agg 1 και Con-Agg 2 και στο ρακεμικό υπερμοριακό πολυμερές Rac-Agg 4.
Μελέτη και σχέδιο: ©Wehner et al., 2020

Από την εργαστηριακή ανακάλυψη έως την επεξεργασία με υπερήχους σε βιομηχανική κλίμακα

Ένα σημαντικό πλεονέκτημα των συσκευών υπερήχων της Hielscher είναι η διαθεσιμότητα εξοπλισμού υπερήχων σε ολόκληρη την αλυσίδα ανάπτυξης: από συμπαγείς εργαστηριακές συσκευές έως επιτραπέζια συστήματα και βιομηχανικούς επεξεργαστές υπερήχων. Η Hielscher προσφέρει συσκευές υπερήχων και αισθητήρες για την επεξεργασία υγρών, από εργαστηριακή έως βιομηχανική κλίμακα, με εφαρμογές που περιλαμβάνουν τη χημική επεξεργασία, τη μείωση του μεγέθους των σωματιδίων, την εκχύλιση, τη διασπορά και την ομογενοποίηση.
Αυτό έχει σημασία, διότι πολλά πολλά υποσχόμενα ευρήματα στον τομέα της υπερηχοχημείας ή της υπερμοριακής χημείας δεν καταφέρνουν να βγουν από τα όρια του εργαστηρίου, όταν η διαδικασία δεν μπορεί να αναπαραχθεί σε μεγαλύτερη κλίμακα. Η προσέγγιση της Hielscher στην ανάπτυξη υπερηχητικών διεργασιών βασίζεται σε ελεγχόμενες παραμέτρους και διαμορφώσεις εξοπλισμού με δυνατότητα κλιμάκωσης. Μόλις προσδιοριστεί ένα αποτελεσματικό παράθυρο υπερηχητικής διεργασίας, η διεργασία μπορεί να μεταφερθεί σε μεγαλύτερα υπερηχητικά συστήματα, διατηρώντας τη σχετική εισροή ενέργειας και τις συνθήκες επεξεργασίας.
Για τους βιομηχανικούς χρήστες, αυτό σημαίνει ότι η υπερηχητική επεξεργασία μπορεί να θεωρηθεί όχι μόνο ως ερευνητική μέθοδος, αλλά και ως τεχνολογία επεξεργασίας.

Ενσωματωμένη υπερηχητική επεξεργασία για συνεχή χημική επεξεργασία

Η υπερηχητική επεξεργασία κατά παρτίδες είναι χρήσιμη για εργαστηριακή διαλογή και βελτιστοποίηση μικρών όγκων. Ωστόσο, η παραγωγή χημικών απαιτεί συχνά συνεχή λειτουργία, αναπαραγωγιμότητα και καθορισμένους χρόνους παραμονής. Τα συστήματα υπερήχων της Hielscher υποστηρίζουν την ενσωματωμένη υπερηχητική επεξεργασία, όπου τα υγρά αντλούνται μέσω ενός κυττάρου ροής ή ενός αντιδραστήρα υπερήχων και εκτίθενται στο πεδίο σπηλαίωσης υπό ελεγχόμενες συνθήκες.
Η ενσωματωμένη υπερηχητική επεξεργασία μπορεί να λειτουργήσει σε λειτουργία μίας διέλευσης ή σε λειτουργία ανακυκλοφορίας, επιτρέποντας στο υγρό να διέρχεται μία ή περισσότερες φορές από τη ζώνη υπερηχητικής επεξεργασίας. Η Hielscher δηλώνει ότι οι υπερηχητικοί επεξεργαστές της είναι διαθέσιμοι τόσο για επεξεργασία κατά παρτίδες όσο και για συνεχή ενσωματωμένη επεξεργασία, από εργαστηριακές και επιτραπέζιες μονάδες έως πλήρη βιομηχανική κλίμακα.

Στον τομέα της υπερμοριακής χημείας και της χημικής μηχανικής, η ενσωματωμένη υπερηχητική επεξεργασία προσφέρει διάφορα πλεονεκτήματα:

• ελεγχόμενος χρόνος παραμονής στη ζώνη σπηλαίωσης
• βελτιωμένη αναπαραγωγιμότητα σε σύγκριση με την ανάδευση παρτίδας χωρίς έλεγχο
• καλύτερη διαχείριση της θερμότητας μέσω κυψελών ροής και εξωτερικής ψύξης
• συνεχής επεξεργασία για μεγαλύτερους όγκους
• ευκολότερη ενσωμάτωση σε υπάρχουσες γραμμές παραγωγής χημικών προϊόντων
• ρυθμιζόμενη ένταση επεξεργασίας μέσω της προσαρμογής του ρυθμού ροής, του πλάτους και της διαμόρφωσης του αντιδραστήρα

Στη χημεία που εξαρτάται από συγκεκριμένες αντιδραστικές οδούς, αυτές οι παράμετροι μπορεί να είναι κρίσιμες. Εάν ένα υπερμοριακό σύστημα αντιδρά διαφορετικά σε σύντομη και έντονη υπερηχητική επεξεργασία σε σύγκριση με την παρατεταμένη ήπια υπερηχητική επεξεργασία, η ενσωματωμένη επεξεργασία παρέχει το τεχνικό πλαίσιο για τον καθορισμό και την αναπαραγωγή αυτής της έκθεσης.

Γραμμική κλιμάκωση: Από τη σονοχημική διαλογή έως την παραγωγή

Η τεχνολογία υπερήχων της Hielscher έχει σχεδιαστεί για κλιμάκωση από εργαστηριακές δοκιμές σε βιομηχανική επεξεργασία. Για μεγάλα συστήματα, οι παράμετροι της διεργασίας, όπως το πλάτος, η πίεση και η θερμοκρασία, μπορούν να βελτιστοποιηθούν σε μικρότερες εγκαταστάσεις και στη συνέχεια να μεταφερθούν σε εξοπλισμό υψηλότερης παραγωγικότητας. Η Hielscher περιγράφει την αποδοτικότητα της διεργασίας υπερήχων ως γραμμικά κλιμακώσιμη, αφού προσδιοριστεί η βέλτιστη διαμόρφωση των παραμέτρων.
Αυτή η δυνατότητα γραμμικής κλιμάκωσης είναι ιδιαίτερα σημαντική για τους χημικούς και τους μηχανικούς διεργασιών που εργάζονται με ευαίσθητα υπερμοριακά συστήματα. Τα αυτοσυναρμολογούμενα υλικά συχνά εξαρτώνται από στενά παράθυρα επεξεργασίας. Μια αλλαγή στην ένταση της ανάμειξης, στον χρόνο παραμονής, στο προφίλ θερμοκρασίας ή στην ενεργειακή πυκνότητα μπορεί να μεταβάλει τη μορφολογία του προϊόντος. Τα κλιμακωτά συστήματα υπερήχων συμβάλλουν στη μείωση αυτού του κινδύνου, διατηρώντας καθορισμένες συνθήκες υπερηχητικής επεξεργασίας καθώς η διαδικασία μεταβαίνει από τα χιλιοστόλιτρα στα λίτρα και, τελικά, σε ρυθμούς ροής κλίμακας παραγωγής.
Η Hielscher προσφέρει επίσης βιομηχανικούς αντιδραστήρες εν σειρά, όπως τον MultiSonoReactor, για υπερηχητική επεξεργασία εν σειρά υψηλής απόδοσης. Τα συστήματα αυτά έχουν σχεδιαστεί για εφαρμογές όπως η ομογενοποίηση, η ανάμιξη, η διασπορά, η εκχύλιση και οι υπερηχοχημικές αντιδράσεις.

Επιστημονική και βιομηχανική σημασία των υπερμοριακών πολυμορφισμών που συντίθενται με υπερήχους

Η μελέτη σχετικά με τον υπερμοριακό πολυμορφισμό που ελέγχεται με υπερήχους είναι σημαντική, καθώς καταδεικνύει πώς οι επιδράσεις των υπερήχων στη χημεία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την επίτευξη διαφορετικών καταστάσεων της ύλης από το ίδιο μοριακό σύστημα. Αντί να μεταβάλλουν το μόριο, οι ερευνητές άλλαξαν τις συνθήκες της διαδικασίας. Αυτό ακριβώς είναι το σημείο στο οποίο η υπερηχητική επεξεργασία καθίσταται ελκυστική για τη βιομηχανική χημεία: μπορεί να βελτιώσει τα αποτελέσματα μέσω της εντατικοποίησης της διεργασίας και όχι μέσω πρόσθετων σταδίων σύνθεσης.
Όσον αφορά την επιστημονική έρευνα, τα ευρήματα συμβάλλουν σε μια βαθύτερη κατανόηση της χειραλικής αυτοσυναρμολόγησης, της κινητικής παγίδευσης, του θερμοδυναμικού ελέγχου και των υπερμοριακών ενεργειακών τοπίων. Όσον αφορά τη βιομηχανία, οι ίδιες αρχές μπορούν να συμβάλουν στη βελτίωση της διαλογής των πολυμορφών, στην ταχύτερη ανάπτυξη λειτουργικών υλικών, στον καλύτερο έλεγχο της μορφολογίας των συσσωματωμάτων και στην πιο αναπαραγώγιμη επεξεργασία προηγμένων χημικών συστημάτων.

Στην πράξη, η υπερηχητική επεξεργασία μπορεί να βοηθήσει τους χημικούς και τους χημικούς μηχανικούς:

• να επιταχύνουν τις μετασχηματιστικές διεργασίες αυτοσυναρμολόγησης
• να προωθήσουν οδούς συγκέντρωσης που διαφορετικά θα ήταν απρόσιτες
• να βελτιώσουν την αναπαραγωγιμότητα σε συστήματα που εξαρτώνται από βιολογικές οδούς
• να μειωθεί η εξάρτηση από τους μεγάλους χρόνους εξισορρόπησης
• απεικόνιση των κινητικών και θερμοδυναμικών καταστάσεων των προϊόντων
• να μετατρέψουμε τα ενθαρρυντικά αποτελέσματα των εργαστηριακών δοκιμών σε ενσωματωμένες διαδικασίες

Η επεξεργασία με υπερήχους ως τεχνολογία-κλειδί

Ο υπερηχογράφος υψηλής ισχύος αποτελεί μια τεχνολογία που διευκολύνει την υπερμοριακή χημεία. Η ελεγχόμενη εισαγωγή ακουστικής ενέργειας μπορεί να επηρεάσει τη μοριακή οργάνωση σύνθετων συστημάτων και να επιτρέψει τη δημιουργία δομών που είναι δύσκολο να επιτευχθούν μόνο με συμβατική ανάδευση ή θερμική επεξεργασία.
Με το Hielscher UP50H, η αναφερόμενη μελέτη καταδεικνύει τη σημασία της ακριβούς εργαστηριακής υπερηχητικής επεξεργασίας για τη θεμελιώδη υπερμοριακή έρευνα. Με τα μεγαλύτερα επιτραπέζια και βιομηχανικά υπερηχητικά συστήματα της Hielscher, η ίδια τεχνολογική πλατφόρμα μπορεί να επεκταθεί προς τη βελτιστοποίηση των διεργασιών, την ενσωματωμένη επεξεργασία και τη γραμμική κλιμάκωση.
Για τους χημικούς, αυτό ανοίγει νέους πειραματικούς δρόμους στον τομέα της αυτοσυναρμολόγησης και του ελέγχου των πολυμορφισμών. Για τους χημικούς μηχανικούς, παρέχει ένα εργαλείο επεξεργασίας με δυνατότητα κλιμάκωσης, το οποίο επιτρέπει τη μετατροπή των υπερηχητικών φαινομένων στη χημεία σε αξιόπιστες στρατηγικές παραγωγής.

Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση ικανότητας επεξεργασίας των υπερήχων μας:

Σχεδιασμός, Κατασκευή και Συμβουλευτική – Ποιότητα Made in Germany

Hielscher υπερήχων είναι γνωστή για την υψηλότερη ποιότητα και τα πρότυπα σχεδιασμού τους. Η ευρωστία και η εύκολη λειτουργία επιτρέπουν την ομαλή ενσωμάτωση των υπερήχων μας σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις. Οι σκληρές συνθήκες και τα απαιτητικά περιβάλλοντα αντιμετωπίζονται εύκολα από τους υπερήχους Hielscher.

Hielscher Υπέρηχοι είναι μια πιστοποιημένη εταιρεία ISO και δίνουν ιδιαίτερη έμφαση σε υψηλής απόδοσης υπερήχων που διαθέτουν state-of-the-art τεχνολογία και φιλικότητα προς το χρήστη. Φυσικά, Hielscher υπερήχων είναι CE συμβατό και πληρούν τις απαιτήσεις των UL, CSA και RoHs.

Βιβλιογραφία / Αναφορές