Η κατεργασία με υπερήχους ανοίγει νέες οδούς στην υπερμοριακή χημεία

Η υπερμοριακή χημεία βασίζεται σε ασθενείς, αντιστρεπτές αλληλεπιδράσεις: δεσμούς υδρογόνου, στοίβαξη π–π, δυνάμεις van der Waals, διαλυτοφοβικά φαινόμενα και χειρόμορφη αναγνώριση. Αυτές οι αλληλεπιδράσεις επιτρέπουν στα μόρια να αυτοοργανώνονται σε μεγαλύτερες αρχιτεκτονικές, όπως ίνες, ράβδους, πηκτές, συσσωματώματα και υπερμοριακά πολυμερή. Για τους χημικούς και τους χημικούς μηχανικούς, η πρόκληση δεν είναι μόνο ο σχηματισμός τέτοιων δομών, αλλά και ο έλεγχος του ποια δομή σχηματίζεται, πόσο γρήγορα σχηματίζεται και αν παραμένει κινητικά παγιδευμένη ή φτάνει στη θερμοδυναμικά σταθερότερη κατάσταση.

Επιδράσεις των υπερήχων στη χημεία: Η κατεργασία με υπερήχους ελέγχει την υπερμοριακή αυτοσυναρμολόγηση

Μια επιστημονική μελέτη των Wehner et al. (2020), που δημοσιεύτηκε στο Nature Communications, καταδεικνύει ότι η κατεργασία με υπερήχους μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ισχυρό εξωτερικό ερέθισμα για τον έλεγχο των οδών αυτοσυναρμολόγησης στην υπερμοριακή χημεία. Οι ερευνητές μελέτησαν ένα ρακεμικό μείγμα χειρόμορφων μορίων διιμιδίου του περυλενίου και έδειξαν ότι η κατεργασία με υπερήχους μπορούσε να καθοδηγήσει τον σχηματισμό διακριτών υπερμοριακών πολυμόρφων. Ανάλογα με τις συνθήκες κατεργασίας με υπερήχους, το σύστημα παρήγαγε διαφορετικές αυτοσυναρμολογημένες δομές, συμπεριλαμβανομένων κινητικά ελεγχόμενων κονγκλομερών και ενός θερμοδυναμικά σταθερού ρακεμικού υπερμοριακού πολυμερούς. Η μελέτη αναφέρει ρητά τη χρήση ενός επεξεργαστή υπερήχων Hielscher UP50H για την κατεργασία με υπερήχους, ο οποίος λειτουργούσε στα 30 kHz, με ισχύ 50 W και πλάτος ταλάντωσης 100%.
Αυτό το αποτέλεσμα έχει μεγάλη σημασία για τη σύγχρονη χημεία υλικών, επειδή δείχνει ότι οι υπέρηχοι δεν αποτελούν απλώς εργαλείο ανάμειξης ή διασποράς. Υπό σαφώς καθορισμένες συνθήκες, η κατεργασία με υπερήχους μπορεί να λειτουργήσει ως παράμετρος διεργασίας για τον έλεγχο των μοριακών οδών.

Γιατί έχουν σημασία οι επιδράσεις των υπερήχων στη χημεία

Οι επιδράσεις των υπερήχων στη χημεία οφείλονται κυρίως στην ακουστική σπηλαίωση. Όταν υπέρηχοι υψηλής έντασης εισάγονται σε ένα υγρό, οι εναλλασσόμενοι κύκλοι πίεσης δημιουργούν μικροσκοπικές φυσαλίδες σπηλαίωσης. Η ανάπτυξη και η κατάρρευσή τους παράγουν τοπικά συνθήκες υψηλής ενέργειας, έντονες μικροροές, ισχυρές βαθμίδες διάτμησης και αποτελεσματική μεταφορά μάζας. Σε χημικές διεργασίες και διεργασίες υλικών, αυτές οι επιδράσεις μπορούν να επηρεάσουν την πυρήνωση, τη συσσωμάτωση, τον σχηματισμό σωματιδίων, τη διασπορά, την κρυστάλλωση και την αυτοσυναρμολόγηση.
Στην υπερμοριακή χημεία, αυτό είναι ιδιαίτερα πολύτιμο, επειδή πολλά συστήματα εξαρτώνται από την ακολουθούμενη οδό. Το ίδιο μόριο μπορεί να συναρμολογηθεί σε διαφορετικά πολύμορφα ανάλογα με τη σειρά και την ένταση εισαγωγής ενέργειας, τη θερμοκρασία, τη συγκέντρωση, τη σύσταση του διαλύτη και τον χρόνο. Η κατεργασία με υπερήχους παρέχει έναν ελεγχόμενο τρόπο εισαγωγής μηχανικής ενέργειας στο σύστημα χωρίς να αλλάζει η μοριακή δομή της δομικής μονάδας.
Για τους χημικούς μηχανικούς, αυτό αποτελεί καθοριστικό πλεονέκτημα: η χρήση των υπερήχων μπορεί να παραμετροποιηθεί. Το πλάτος ταλάντωσης, η ισχύς, η γεωμετρία του ηχοτροδίου και του αντιδραστήρα, η θερμοκρασία, ο χρόνος παραμονής, η πίεση και η παροχή μπορούν να ρυθμίζονται, να παρακολουθούνται και να μεταφέρονται από τις δοκιμές εφικτότητας στην επεξεργασία μεγαλύτερων όγκων.

Η κατεργασία με υπερήχους ως εργαλείο ελέγχου της αυτοσυναρμολόγησης

Η μελέτη εξέτασε την αυτοοργάνωση ενός ρακεμικού μείγματος δύο εναντιομερών μορίων διιμιδίου του περυλενίου. Χωρίς το κατάλληλο εξωτερικό ερέθισμα, τέτοια συστήματα ενδέχεται να ακολουθήσουν μια προτιμώμενη οδό συσσωμάτωσης ή να παγιδευτούν σε μετασταθείς καταστάσεις. Εφαρμόζοντας ελεγχόμενη κατεργασία με υπερήχους, οι ερευνητές μπόρεσαν να επιτύχουν διαφορετικά υπερμοριακά αποτελέσματα.
Το βασικό εύρημα είναι απλό αλλά ουσιαστικό: η κατεργασία με υπερήχους άλλαξε την οδό αυτοοργάνωσης. Σε συγκεκριμένες θερμοκρασίες και συγκεντρώσεις, οι υπέρηχοι ισχύος προήγαγαν τη μετατροπή από μία κατάσταση συσσωμάτωσης σε μια άλλη. Υπό συνθήκες κατεργασίας με υπερήχους με κινητικό έλεγχο, το σύστημα σχημάτισε ένα υπερμοριακό συσσωμάτωμα. Υπό συνθήκες κατεργασίας με υπερήχους με θερμοδυναμικό έλεγχο, σχημάτισε ένα ρακεμικό υπερμοριακό πολυμερές με διαφορετική μορφολογία και υψηλότερη σταθερότητα.
Η επιστημονική σημασία έγκειται στη δυνατότητα να επηρεάζεται το κατά πόσον επικρατεί η ομοχειρόμορφη ή η ετεροχειρόμορφη συσσωμάτωση. Η βιομηχανική σημασία έγκειται στην ευρύτερη ιδέα: η κατεργασία με υπερήχους μπορεί να βοηθήσει στην καθοδήγηση της μοριακής οργάνωσης, πέρα από την επιτάχυνση της επεξεργασίας.

Αυτό έχει σημασία για:

• υπερμοριακά πολυμερή και λειτουργικά οργανικά υλικά
• έρευνα στη χειρόμορφη συσσωμάτωση και στον διαχωρισμό ρακεμικών μειγμάτων
• κρυστάλλωση και διερεύνηση πολυμορφικών μορφών
• σχηματισμό νανοϊνών, νανοράβδων και συσσωματωμάτων χρωστικών
• ανάπτυξη σκευασμάτων και επεξεργασία προηγμένων υλικών
• κλιμάκωση χημικών διεργασιών υποβοηθούμενων από υπερήχους

Ο ρόλος των συσκευών υπερήχων Hielscher στην υπερμοριακή χημεία

Για την πειραματική εργασία, η κατεργασία με υπερήχους πραγματοποιήθηκε με τον Hielscher UP50H, έναν συμπαγή εργαστηριακό επεξεργαστή υπερήχων. Ο UP50H είναι μια συσκευή υπερήχων τύπου ακίδας, 50 W και 30 kHz, σχεδιασμένη για μικρά εργαστηριακά δείγματα, η οποία χρησιμοποιείται σε χημικά, βιολογικά, ιατρικά και αναλυτικά εργαστήρια. Η Hielscher περιγράφει τον UP50H ως κατάλληλο για λειτουργία στο χέρι ή στερεωμένο σε βάση και για εργασίες όπως η διασπορά, η διάλυση, η γαλακτωματοποίηση και η ομογενοποίηση μικρών όγκων δειγμάτων.
Σε αυτή τη μελέτη, ο UP50H παρείχε την ενέργεια υπερήχων που απαιτούνταν για την έναρξη και την καθοδήγηση της μετατροπής των υπερμοριακών συστάδων. Αυτό αναδεικνύει ένα σημαντικό πρακτικό στοιχείο για τους χημικούς: η εργαστηριακή κατεργασία μικρών όγκων με υπερήχους μπορεί να αποκαλύψει εύρη συνθηκών διεργασίας που διαφορετικά είναι δύσκολο να εντοπιστούν μόνο με ανάδευση, θέρμανση ή παθητική γήρανση.
Για την υπερμοριακή χημεία, οι συσκευές υπερήχων τύπου ακίδας, όπως ο UP50H, μπορούν επομένως να χρησιμοποιηθούν όχι μόνο για την προετοιμασία δειγμάτων, αλλά και ως ενεργή πειραματική μεταβλητή. Μεταβάλλοντας τη θερμοκρασία και τη διάρκεια της κατεργασίας με υπερήχους, οι ερευνητές μπορούν να διερευνήσουν κινητικά και θερμοδυναμικά καθεστώτα, να εξετάσουν οδούς συσσωμάτωσης και να εντοπίσουν μετασταθείς ή σταθερές πολυμορφικές μορφές.
 

Φασματοσκοπικές μελέτες του ρακεμικού μείγματος των (R,R)- και (S,S)-PBI. a Χημικές δομές των (R,R)- και (S,S)-PBI και σχηματική απεικόνιση του επαγόμενου από υπερήχους υπερμοριακού πολυμερισμού του ρακεμικού μείγματος των (R,R)- και (S,S)-PBI προς τα συσσωματώματα Con-Agg 1 και Con-Agg 2 και το ρακεμικό υπερμοριακό πολυμερές Rac-Agg 4.
Μελέτη και σχήμα: ©Wehner et al., 2020

Από την εργαστηριακή ανακάλυψη στην κλιμακούμενη επεξεργασία με υπερήχους

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 καθετήρες για την επεξεργασία υγρών από την εργαστηριακή κλίμακα έως την κλίμακα παραγωγής, με εφαρμογές που περιλαμβάνουν τη χημική επεξεργασία, τη μείωση του μεγέθους σωματιδίων, την εκχύλιση, τη διασπορά και την ομογενοποίηση.
Αυτό έχει σημασία επειδή πολλά υποσχόμενα ηχοχημικά ή υπερμοριακά ευρήματα δεν προχωρούν πέρα από το εργαστήριο όταν η διεργασία δεν μπορεί να αναπαραχθεί σε μεγαλύτερη κλίμακα. Η προσέγγιση της Hielscher στην ανάπτυξη διεργασιών υπερήχων βασίζεται σε ελεγχόμενες παραμέτρους και διαμορφώσεις εξοπλισμού με δυνατότητα κλιμάκωσης. Μόλις προσδιοριστεί ένα αποτελεσματικό εύρος συνθηκών για τη διεργασία υπερήχων, η διεργασία μπορεί να μεταφερθεί σε μεγαλύτερα συστήματα υπερήχων, διατηρώντας την αντίστοιχη εισροή ενέργειας και τις συνθήκες επεξεργασίας.
Για τους βιομηχανικούς χρήστες, αυτό σημαίνει ότι η κατεργασία με υπερήχους μπορεί να θεωρηθεί όχι μόνο ερευνητική μέθοδος αλλά και τεχνολογία διεργασιών.

Κατεργασία με υπερήχους εντός γραμμής για συνεχή χημική επεξεργασία

Η κατεργασία με υπερήχους κατά παρτίδες είναι χρήσιμη για εργαστηριακές διερευνητικές δοκιμές και βελτιστοποίηση σε μικρούς όγκους. Ωστόσο, η χημική παραγωγή συχνά απαιτεί συνεχή λειτουργία, αναπαραγωγιμότητα και καθορισμένους χρόνους παραμονής. Τα συστήματα υπερήχων της Hielscher υποστηρίζουν κατεργασία με υπερήχους εντός γραμμής, κατά την οποία τα υγρά αντλούνται μέσα από μια κυψελίδα ροής υπερήχων ή έναν αντιδραστήρα και εκτίθενται στο πεδίο σπηλαίωσης υπό ελεγχόμενες συνθήκες.
Η κατεργασία με υπερήχους εντός γραμμής μπορεί να πραγματοποιηθεί με μία μόνο διέλευση ή με ανακυκλοφορία, επιτρέποντας στο υγρό να διέρχεται μία ή περισσότερες φορές από τη ζώνη κατεργασίας με υπερήχους. Η Hielscher αναφέρει ότι οι επεξεργαστές υπερήχων της διατίθενται τόσο για επεξεργασία κατά παρτίδες όσο και για συνεχή επεξεργασία εντός γραμμής, από εργαστηριακές και επιτραπέζιες μονάδες έως πλήρη βιομηχανική κλίμακα.

Για την υπερμοριακή χημεία και τη χημική μηχανική, η κατεργασία με υπερήχους εντός γραμμής προσφέρει αρκετά πλεονεκτήματα:

• ελεγχόμενος χρόνος παραμονής στη ζώνη σπηλαίωσης
• βελτιωμένη αναπαραγωγιμότητα σε σύγκριση με τη μη ελεγχόμενη ανάδευση κατά παρτίδες
• καλύτερη διαχείριση της θερμότητας μέσω κυψελίδων ροής και εξωτερικής ψύξης
• συνεχής επεξεργασία για μεγαλύτερους όγκους
• ευκολότερη ενσωμάτωση σε υπάρχουσες γραμμές χημικής παραγωγής
• δυνατότητα κλιμάκωσης της έντασης κατεργασίας με ρύθμιση της παροχής, του πλάτους ταλάντωσης και της διαμόρφωσης του αντιδραστήρα

Στη χημεία όπου το αποτέλεσμα εξαρτάται από την οδό που ακολουθείται, αυτές οι παράμετροι μπορεί να είναι κρίσιμες. Εάν ένα υπερμοριακό σύστημα ανταποκρίνεται διαφορετικά σε σύντομη, έντονη κατεργασία με υπερήχους από ό,τι σε παρατεταμένη ήπια κατεργασία με υπερήχους, η επεξεργασία εντός γραμμής παρέχει το τεχνικό πλαίσιο για τον καθορισμό και την αναπαραγωγή αυτής της έκθεσης.

Γραμμική κλιμάκωση: Από τις ηχοχημικές διερευνητικές δοκιμές στην παραγωγή

Η τεχνολογία υπερήχων της Hielscher έχει σχεδιαστεί για κλιμάκωση από τις εργαστηριακές δοκιμές στη βιομηχανική επεξεργασία. Για μεγάλα συστήματα, παράμετροι διεργασίας όπως το πλάτος ταλάντωσης, η πίεση και η θερμοκρασία μπορούν να βελτιστοποιηθούν σε μικρότερες διατάξεις και στη συνέχεια να μεταφερθούν σε εξοπλισμό μεγαλύτερης δυναμικότητας επεξεργασίας. Η Hielscher περιγράφει την αποδοτικότητα της διεργασίας υπερήχων ως γραμμικά κλιμακώσιμη, αφού προσδιοριστεί ο βέλτιστος συνδυασμός παραμέτρων.
Αυτή η δυνατότητα γραμμικής κλιμάκωσης είναι ιδιαίτερα σημαντική για χημικούς και μηχανικούς διεργασιών που εργάζονται με ευαίσθητα υπερμοριακά συστήματα. Τα υλικά που σχηματίζονται μέσω αυτοσυναρμολόγησης συχνά εξαρτώνται από στενά εύρη συνθηκών διεργασίας. Μια αλλαγή στην ένταση ανάμιξης, στον χρόνο παραμονής, στο θερμοκρασιακό προφίλ ή στην ενεργειακή πυκνότητα μπορεί να μεταβάλει τη μορφολογία του προϊόντος. Τα συστήματα υπερήχων με δυνατότητα κλιμάκωσης συμβάλλουν στη μείωση αυτού του κινδύνου, διατηρώντας καθορισμένες συνθήκες κατεργασίας με υπερήχους καθώς η διεργασία μεταβαίνει από χιλιοστόλιτρα σε λίτρα και, τελικά, σε παροχές κλίμακας παραγωγής.
Η Hielscher προσφέρει επίσης βιομηχανικούς αντιδραστήρες εντός γραμμής, όπως το MultiSonoReactor, για κατεργασία με υπερήχους εντός γραμμής με υψηλή δυναμικότητα επεξεργασίας. Αυτά τα συστήματα έχουν σχεδιαστεί για εφαρμογές που περιλαμβάνουν την ομογενοποίηση, την ανάμιξη, τη διασπορά, την εκχύλιση και τις ηχοχημικές αντιδράσεις.

Επιστημονική και βιομηχανική σημασία των υπερμοριακών πολυμόρφων που συντίθενται με υπερήχους

Η μελέτη για τον υπερμοριακό πολυμορφισμό που ελέγχεται με υπερήχους είναι σημαντική, επειδή καταδεικνύει πώς οι επιδράσεις των υπερήχων στη χημεία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την επίτευξη διαφορετικών καταστάσεων υλικού από το ίδιο μοριακό σύστημα. Αντί να αλλάξουν το μόριο, οι ερευνητές άλλαξαν τις συνθήκες της διεργασίας. Σε αυτό ακριβώς το σημείο η κατεργασία με υπερήχους γίνεται ελκυστική για τη βιομηχανική χημεία: μπορεί να βελτιώσει τα αποτελέσματα μέσω της εντατικοποίησης της διεργασίας αντί της προσθήκης συνθετικών σταδίων.
Για την επιστημονική έρευνα, τα ευρήματα συμβάλλουν στη βαθύτερη κατανόηση της χειρόμορφης αυτοσυναρμολόγησης, της κινητικής παγίδευσης, του θερμοδυναμικού ελέγχου και των υπερμοριακών ενεργειακών τοπίων. Για τη βιομηχανία, οι ίδιες αρχές ενδέχεται να υποστηρίξουν τη βελτιωμένη διερεύνηση πολυμόρφων, την ταχύτερη ανάπτυξη λειτουργικών υλικών, τον καλύτερο έλεγχο της μορφολογίας των συσσωματωμάτων και την πιο αναπαραγώγιμη επεξεργασία προηγμένων χημικών συστημάτων.

Στην πράξη, η κατεργασία με υπερήχους μπορεί να βοηθήσει τους χημικούς και τους χημικούς μηχανικούς:

• να επιταχύνουν τους μετασχηματισμούς αυτοσυναρμολόγησης
• να προωθήσουν οδούς συσσωμάτωσης που διαφορετικά δεν είναι προσβάσιμες
• να βελτιώσουν την αναπαραγωγιμότητα σε συστήματα που εξαρτώνται από την οδό σχηματισμού τους
• να μειώσουν την εξάρτηση από μεγάλους χρόνους εξισορρόπησης
• να διερευνήσουν κινητικές και θερμοδυναμικές καταστάσεις προϊόντων
• να μεταφέρουν υποσχόμενα εργαστηριακά αποτελέσματα σε διεργασίες εν σειρά

Η κατεργασία με υπερήχους ως τεχνολογία που ανοίγει νέες δυνατότητες

Οι υπέρηχοι ισχύος αποτελούν τεχνολογία που ανοίγει νέες δυνατότητες για την υπερμοριακή χημεία. Η ελεγχόμενη εισαγωγή ακουστικής ενέργειας μπορεί να επηρεάσει τη μοριακή οργάνωση σύνθετων συστημάτων και να καταστήσει προσβάσιμες δομές που είναι δύσκολο να ληφθούν μόνο με συμβατική ανάδευση ή θερμική κατεργασία.
Με το Hielscher UP50H, η αναφερόμενη μελέτη καταδεικνύει την αξία της ακριβούς εργαστηριακής κατεργασίας με υπερήχους για τη βασική υπερμοριακή έρευνα. Με τις μεγαλύτερες επιτραπέζιες και βιομηχανικές συσκευές υπερήχων της Hielscher, η ίδια τεχνολογική πλατφόρμα μπορεί να επεκταθεί προς τη βελτιστοποίηση διεργασιών, την κατεργασία εν σειρά και τη γραμμική αύξηση κλίμακας.
Για τους χημικούς, αυτό ανοίγει νέες πειραματικές οδούς στην αυτοσυναρμολόγηση και στον έλεγχο των πολυμόρφων. Για τους χημικούς μηχανικούς, παρέχει ένα εργαλείο διεργασίας με δυνατότητα αύξησης κλίμακας για τη μετατροπή των επιδράσεων των υπερήχων στη χημεία σε αξιόπιστες στρατηγικές παραγωγής.

Ο παρακάτω πίνακας παρέχει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση δυναμικότητας επεξεργασίας των συσκευών υπερήχων μας:

Σχεδιασμός, κατασκευή και συμβουλευτική – Ποιότητα κατασκευασμένη στη Γερμανία

Οι συσκευές υπερήχων της Hielscher είναι γνωστές για τα υψηλότερα πρότυπα ποιότητας και σχεδιασμού τους. Η ανθεκτικότητα και η εύκολη λειτουργία επιτρέπουν την ομαλή ενσωμάτωση των συσκευών υπερήχων μας σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις. Οι συσκευές υπερήχων της Hielscher ανταποκρίνονται εύκολα σε σκληρές συνθήκες και απαιτητικά περιβάλλοντα.

Η Hielscher Ultrasonics είναι εταιρεία πιστοποιημένη κατά ISO και δίνει ιδιαίτερη έμφαση σε συσκευές υπερήχων υψηλών επιδόσεων που διαθέτουν τεχνολογία αιχμής και ευκολία χρήσης. Φυσικά, οι συσκευές υπερήχων της Hielscher συμμορφώνονται με τις απαιτήσεις CE και πληρούν τις απαιτήσεις των UL, CSA και RoHs.

Βιβλιογραφία / Αναφορές

• 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.