La sonicación abre nuevas vías en la química supramolecular

La química supramolecular depende de interacciones débiles y reversibles: enlaces de hidrógeno, apilamiento π–π, fuerzas de van der Waals, efectos solvofóbicos y reconocimiento quiral. Estas interacciones permiten que las moléculas se autoorganicen en arquitecturas más grandes, como fibras, varillas, geles, agregados y polímeros supramoleculares. Para los químicos y los ingenieros químicos, el reto no consiste únicamente en formar estas estructuras, sino también en controlar qué estructura se forma, con qué rapidez y si queda atrapada cinéticamente o alcanza el estado termodinámicamente más estable.

Efectos ultrasónicos en química: la sonicación controla el autoensamblaje supramolecular

Un estudio científico de Wehner et al. (2020), publicado en Nature Communications, demuestra que la ultrasonicación puede utilizarse como un potente estímulo externo para controlar las vías de autoensamblaje en la química supramolecular. Los investigadores estudiaron una mezcla racémica de moléculas quirales de bisimida de perileno y demostraron que la sonicación podía orientar la formación de distintos polimorfos supramoleculares. En función de las condiciones ultrasónicas, el sistema produjo diferentes estructuras autoensambladas, incluidos conglomerados controlados cinéticamente y un polímero supramolecular racémico termodinámicamente estable. El estudio utilizó expresamente un procesador ultrasónico Hielscher UP50H para la ultrasonicación, que funcionó a 30 kHz, 50 W y una amplitud del 100%.
Este resultado es muy relevante para la química moderna de materiales porque demuestra que los ultrasonidos no son simplemente una herramienta de mezcla o dispersión. En condiciones bien definidas, la sonicación puede actuar como un parámetro de proceso para controlar las vías de organización molecular.

Por qué son importantes los efectos ultrasónicos en química

Los efectos ultrasónicos en química se deben principalmente a la cavitación acústica. Cuando se introducen ultrasonidos de alta intensidad en un líquido, los ciclos alternos de presión generan burbujas microscópicas de cavitación. Su crecimiento y colapso producen condiciones localizadas de alta energía, intensas microcorrientes, fuertes gradientes de cizallamiento y una transferencia de masa eficiente. En los procesos químicos y de materiales, estos efectos pueden influir en la nucleación, la agregación, la formación de partículas, la dispersión, la cristalización y el autoensamblaje.
En la química supramolecular, esto resulta especialmente valioso porque muchos sistemas dependen de la vía seguida. Una misma molécula puede ensamblarse en distintos polimorfos en función del orden y la intensidad del aporte de energía, la temperatura, la concentración, la composición del disolvente y el tiempo. La sonicación proporciona una forma controlable de introducir energía mecánica en el sistema sin cambiar la estructura molecular de la unidad constitutiva.
Para los ingenieros químicos, esto supone una ventaja decisiva: los ultrasonidos pueden parametrizarse. La amplitud, la potencia, la geometría del sonotrodo y del reactor, la temperatura, el tiempo de residencia, la presión y el caudal pueden ajustarse, supervisarse y trasladarse de los ensayos de viabilidad a volúmenes de procesamiento mayores.

La sonicación como herramienta para controlar el autoensamblaje

El estudio examinó el autoensamblaje de una mezcla racémica de dos moléculas enantioméricas de bisimida de perileno. En ausencia del estímulo externo adecuado, estos sistemas pueden seguir una vía de agregación preferente o quedar atrapados en estados metaestables. Mediante la aplicación de ultrasonicación controlada, los investigadores pudieron obtener diferentes resultados supramoleculares.
El hallazgo principal es sencillo pero contundente: la sonicación cambió la vía de autoensamblaje. A temperaturas y concentraciones específicas, los ultrasonidos de potencia promovieron la transformación de un estado de agregación en otro. En condiciones de sonicación bajo control cinético, el sistema formó un conglomerado supramolecular. En condiciones de sonicación bajo control termodinámico, formó un polímero supramolecular racémico con una morfología diferente y mayor estabilidad.
La repercusión científica reside en la capacidad de influir en el predominio de la agregación homoquiral o heteroquiral. La repercusión industrial reside en el concepto más amplio: la sonicación puede ayudar a orientar la organización molecular, además de acelerar el procesamiento.

Esto es relevante para:

• polímeros supramoleculares y materiales orgánicos funcionales
• investigación sobre agregación quiral y resolución de racematos
• cristalización y cribado de polimorfos
• formación de nanofibras, nanovarillas y agregados de colorantes
• desarrollo de formulaciones y procesamiento de materiales avanzados
• escalado de procesos químicos asistidos por ultrasonidos

El papel de los sonicadores Hielscher en la química supramolecular

Para el trabajo experimental, la ultrasonicación se realizó con el Hielscher UP50H, un procesador ultrasónico compacto de laboratorio. El UP50H es un sonicador de sonda de 50 W y 30 kHz diseñado para pequeñas muestras de laboratorio y se utiliza en laboratorios químicos, biológicos, médicos y analíticos. Hielscher describe el UP50H como adecuado para su uso de mano o montado en un soporte, así como para tareas de dispersión, disolución, emulsificación y homogeneización de pequeños volúmenes de muestra.
En este estudio, el UP50H proporcionó la energía ultrasónica necesaria para desencadenar y orientar la transformación de los agregados supramoleculares. Esto ilustra un aspecto práctico importante para los químicos: la sonicación de pequeños volúmenes en el laboratorio puede revelar ventanas de proceso que, de otro modo, son difíciles de identificar únicamente mediante agitación, calentamiento o envejecimiento pasivo.
Por tanto, en la química supramolecular, los sonicadores de sonda como el UP50H pueden utilizarse no solo para preparar muestras, sino también como variable experimental activa. Al modificar la temperatura y la duración de la sonicación, los investigadores pueden estudiar regímenes cinéticos y termodinámicos, realizar un cribado de vías de agregación e identificar polimorfos metaestables o estables.
 

Estudios espectroscópicos de la mezcla racémica de (R,R)- y (S,S)-PBI. a Estructuras químicas de (R,R)- y (S,S)-PBI y representación esquemática de la polimerización supramolecular inducida por ultrasonidos de la mezcla racémica de (R,R)- y (S,S)-PBI para formar los conglomerados Con-Agg 1 y Con-Agg 2 y el polímero supramolecular racémico Rac-Agg 4.
Estudio y esquema: ©Wehner et al., 2020

Del descubrimiento en el laboratorio al procesamiento ultrasónico escalable

Una gran ventaja de los sonicadores Hielscher es la disponibilidad de equipos ultrasónicos para toda la cadena de desarrollo: desde dispositivos compactos de laboratorio hasta sistemas de sobremesa y procesadores ultrasónicos industriales. Hielscher ofrece ultrasonicadores y sondas para el procesamiento de líquidos desde la escala de laboratorio hasta la escala de producción, con aplicaciones que incluyen el procesamiento químico, la reducción del tamaño de partícula, la extracción, la dispersión y la homogeneización.
Esto es importante porque muchos hallazgos prometedores en sonoquímica o química supramolecular no llegan a salir del laboratorio cuando el proceso no puede reproducirse a mayor escala. El enfoque de Hielscher para el desarrollo de procesos ultrasónicos se basa en parámetros controlables y configuraciones de equipos escalables. Una vez identificada una ventana de proceso ultrasónico eficaz, el proceso puede trasladarse a sistemas ultrasónicos más grandes manteniendo el aporte de energía y las condiciones de procesamiento pertinentes.
Para los usuarios industriales, esto significa que la sonicación puede considerarse no solo un método de investigación, sino también una tecnología de proceso.

Sonicación en línea para el procesamiento químico continuo

La sonicación por lotes resulta útil para el cribado en laboratorio y la optimización de pequeños volúmenes. Sin embargo, la producción química suele requerir un funcionamiento continuo, reproducibilidad y tiempos de residencia definidos. Los sistemas ultrasónicos Hielscher permiten la sonicación en línea, en la que los líquidos se bombean a través de una celda de flujo o un reactor ultrasónico y se exponen al campo de cavitación en condiciones controladas.
La sonicación en línea puede realizarse en modo de paso único o de recirculación, lo que permite que el líquido atraviese la zona de tratamiento ultrasónico una o varias veces. Hielscher indica que sus procesadores ultrasónicos están disponibles tanto para el procesamiento por lotes como para el procesamiento continuo en línea, desde unidades de laboratorio y de sobremesa hasta equipos a plena escala industrial.

Para la química supramolecular y la ingeniería química, la sonicación en línea ofrece varias ventajas:

• tiempo de residencia controlado en la zona de cavitación
• mayor reproducibilidad en comparación con la agitación por lotes no controlada
• mejor gestión térmica mediante celdas de flujo y refrigeración externa
• procesamiento continuo de volúmenes mayores
• integración más sencilla en las líneas de producción química existentes
• intensidad de tratamiento escalable mediante el ajuste del caudal, la amplitud y la configuración del reactor

En la química dependiente de la vía seguida, estos parámetros pueden ser críticos. Si un sistema supramolecular responde de forma distinta a una sonicación breve e intensa que a una sonicación suave y prolongada, el procesamiento en línea proporciona el marco de ingeniería necesario para definir y reproducir esa exposición.

Escalado lineal: del cribado sonoquímico a la producción

La tecnología ultrasónica Hielscher está diseñada para el escalado desde los ensayos de laboratorio hasta el procesamiento industrial. Para los sistemas de gran tamaño, los parámetros de proceso, como la amplitud, la presión y la temperatura, pueden optimizarse en instalaciones más pequeñas y luego trasladarse a equipos con mayor capacidad de procesamiento. Hielscher describe la eficiencia del proceso ultrasónico como linealmente escalable una vez identificada la configuración óptima de los parámetros.
Esta capacidad de escalado lineal es especialmente importante para los químicos y los ingenieros de procesos que trabajan con sistemas supramoleculares sensibles. Los materiales autoensamblados suelen depender de ventanas de proceso estrechas. Un cambio en la intensidad de mezcla, el tiempo de residencia, el perfil de temperatura o la densidad de energía puede alterar la morfología del producto. Los sistemas ultrasónicos escalables ayudan a reducir este riesgo al preservar condiciones de sonicación definidas a medida que el proceso pasa de mililitros a litros y, finalmente, a caudales de escala de producción.
Hielscher también ofrece reactores industriales en línea, como el MultiSonoReactor, para la sonicación en línea con alta capacidad de procesamiento. Estos sistemas están diseñados para aplicaciones que incluyen homogeneización, mezcla, dispersión, extracción y reacciones sonoquímicas.

Relevancia científica e industrial de los polimorfos supramoleculares sintetizados por ultrasonidos

El estudio sobre el polimorfismo supramolecular controlado por ultrasonidos es significativo porque demuestra cómo los efectos ultrasónicos en química pueden utilizarse para acceder a distintos estados del material a partir de un mismo sistema molecular. En lugar de cambiar la molécula, los investigadores cambiaron las condiciones del proceso. Es precisamente aquí donde la sonicación resulta atractiva para la química industrial: puede mejorar los resultados mediante la intensificación del proceso en lugar de añadir etapas de síntesis.
Para la investigación científica, los hallazgos contribuyen a una comprensión más profunda del autoensamblaje quiral, el atrapamiento cinético, el control termodinámico y los paisajes energéticos supramoleculares. Para la industria, estos mismos principios pueden favorecer un mejor cribado de polimorfos, un desarrollo más rápido de materiales funcionales, un mayor control de la morfología de los agregados y un procesamiento más reproducible de sistemas químicos avanzados.

En términos prácticos, la sonicación puede ayudar a los químicos y a los ingenieros químicos a:

• acelerar las transformaciones de autoensamblaje
• promover vías de agregación que de otro modo serían inaccesibles
• mejorar la reproducibilidad en sistemas dependientes de la vía seguida
• reducir la dependencia de tiempos prolongados de equilibrado
• realizar un cribado de los estados del producto bajo control cinético y termodinámico
• trasladar resultados prometedores del laboratorio a procesos en línea

El procesamiento ultrasónico como tecnología habilitadora

Los ultrasonidos de potencia son una tecnología habilitadora para la química supramolecular. El aporte controlado de energía acústica puede influir en la organización molecular de sistemas complejos y permitir el acceso a estructuras difíciles de obtener únicamente mediante agitación convencional o tratamiento térmico.
Con el Hielscher UP50H, el estudio citado demuestra el valor de la sonicación precisa en laboratorio para la investigación supramolecular fundamental. Con los sonicadores Hielscher de sobremesa e industriales de mayor tamaño, la misma plataforma tecnológica puede ampliarse a la optimización de procesos, el tratamiento en línea y el escalado lineal.
Para los químicos, esto abre nuevas vías experimentales en el autoensamblaje y el control de polimorfos. Para los ingenieros químicos, proporciona una herramienta de proceso escalable que permite convertir los efectos ultrasónicos en química en estrategias de producción fiables.

La siguiente tabla ofrece una orientación sobre la capacidad aproximada de procesamiento de nuestros ultrasonicadores:

Diseño, fabricación y asesoramiento – Calidad fabricada en Alemania

Los ultrasonicadores Hielscher son conocidos por sus altísimos estándares de calidad y diseño. Su robustez y facilidad de uso permiten integrar nuestros ultrasonicadores sin dificultades en instalaciones industriales. Los ultrasonicadores Hielscher funcionan con facilidad en condiciones adversas y entornos exigentes.

Hielscher Ultrasonics es una empresa certificada conforme a normas ISO y pone especial énfasis en los ultrasonicadores de alto rendimiento que incorporan tecnología de vanguardia y facilidad de uso. Por supuesto, los ultrasonicadores Hielscher cumplen la normativa CE y satisfacen los requisitos de UL, CSA y RoHs.

Bibliografía / Referencias

• 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.