Ultraheli avab uusi võimalusi supramolekulaarkeemias

Supramolekulaarne keemia põhineb nõrkadel, pöördelistel vastasmõjudel: vesiniksidemed, π–π-kihtumine, van der Waalsi jõud, solvofoobsed efektid ja kiraalne äratundmine. Need vastasmõjud võimaldavad molekulidel ise organiseeruda suuremateks struktuurideks, nagu kiud, vardad, geelid, agregaadid ja supramolekulaarsed polümeerid. Keemikute ja keemiatehnoloogide jaoks seisneb väljakutse mitte ainult selliste struktuuride moodustamises, vaid ka selles, et kontrollida, milline struktuur tekib, kui kiiresti see tekib ning kas see jääb kineetiliselt lõksu või jõuab termodünaamiliselt kõige stabiilsemasse olekusse.

Ultraheli mõju keemias: ultrahelitöötlus reguleerib supramolekulaarset isekogunemist

Wehneri jt (2020) ajakirjas „Nature Communications“ avaldatud teaduslik uuring näitab, et ultraheli võib kasutada võimsa välise stiimulina supramolekulaarkeemias isekogunemisprotsesside juhtimiseks. Teadlased uurisid kiraalsete perüleenbisimiidimolekulide ratsemaatilist segu ja näitasid, et ultrahelitöötlus võib suunata erinevate supramolekulaarsete polümorfide teket. Sõltuvalt ultrahelitingimustest tekitas süsteem erinevaid isekogunevad struktuure, sealhulgas kineetiliselt kontrollitud konglomeraate ja termodünaamiliselt stabiilset ratsemaatilist supramolekulaarset polümeeri. Uuringus kasutati ultrahelitöötluseks konkreetselt Hielscher UP50H ultraheliprotsessorit, mis töötas sagedusel 30 kHz, võimsusel 50 W ja 100% amplituudiga.
See tulemus on tänapäeva materjalikemias äärmiselt oluline, sest see näitab, et ultraheli ei ole pelgalt segamis- või dispersioonivahend. Hästi määratletud tingimustes võib ultrahelitöötlus toimida protsessiparameetrina molekulaarsete protsesside juhtimiseks.

Miks on ultraheli mõjud keemias olulised?

Ultraheli mõjud keemias on peamiselt tingitud akustilisest kavitatsioonist. Kui vedelikku suunatakse suure intensiivsusega ultraheli, tekitavad vahelduvad rõhutsüklid mikroskoopilisi kavitatsioonimulle. Nende kasv ja kokkuvarisemine tekitavad lokaalseid kõrge energiaga tingimusi, intensiivset mikrovoolu, tugevaid nihkegradiente ja tõhusat massiülekannet. Keemia- ja materjaliprotsessides võivad need efektid mõjutada tuumade teket, agregatsiooni, osakeste moodustumist, dispersiooni, kristalliseerumist ja isekogunemist.
Supramolekulaarkeemias on see eriti väärtuslik, kuna paljud süsteemid sõltuvad protsesside kulgemisest. Sama molekul võib moodustada erinevaid polümorfe, sõltuvalt energia sisestamise järjekorrast ja intensiivsusest, temperatuurist, kontsentratsioonist, lahusti koostisest ja ajast. Ultrahelitöötlus pakub kontrollitavat viisi mehaanilise energia süsteemi viimiseks, muutmata seejuures ehitusploki molekulaarstruktuuri.
Keemiatehnoloogide jaoks on see otsustav eelis: ultraheli parameetreid on võimalik reguleerida. Amplituudi, võimsust, sonotroodi ja reaktori geomeetriat, temperatuuri, viibeaega, rõhku ja voolukiirust on võimalik reguleerida, jälgida ja rakendada nii teostatavusuuringutes kui ka suuremate töötlemismahude puhul.

Ultrahelitöötlus kui vahend isekogunemise juhtimiseks

Uuringus uuriti kahe enantiomeerse perüleenbisimiidi molekuli ratsemaatilise segu isekogunemist. Sobiva välise stiimuli puudumisel võivad sellised süsteemid järgida eelistatud agregatsiooniteed või jääda kinni metastabiilsetesse seisunditesse. Kontrollitud ultraheliravi abil suutsid teadlased saavutada erinevaid supramolekulaarseid tulemusi.
Peamine järeldus on lihtne, kuid mõjukas: ultrahelitöötlus muutis isekogunemise protsessi. Teatud temperatuuridel ja kontsentratsioonidel soodustas võimas ultraheli üleminekut ühest agregaatseisundist teise. Kineetilistes ultrahelitöötlemise tingimustes moodustas süsteem supramolekulaarse konglomeraadi. Termodünaamilistes ultrahelitöötlemise tingimustes moodustas see ratsemaatilise supramolekulaarse polümeeri, millel oli teistsugune morfoloogia ja suurem stabiilsus.
Teaduslik tähtsus seisneb võimes mõjutada seda, kas domineerib homokiraalne või heterokiraalne agregatsioon. Tööstuslik tähtsus tuleneb laiemast kontseptsioonist: ultrahelitöötlus aitab suunata molekulide korraldust, mitte ainult töötlemist kiirendada.

See kehtib järgmiste puhul:

• supramolekulaarsed polümeerid ja funktsionaalsed orgaanilised materjalid
• kiralse agregatsiooni ja ratsemaadi eraldamise alased uuringud
• kristalliseerumine ja polümorfide sõelumine
• nanokiudude, nanovarraste ja värvainete agregaatide teke
• valmististe arendamine ja kaasaegsed materjalitöötlusmeetodid
• ultraheliga toetatud keemiliste protsesside mastaapimise suurendamine

Hielscheri ultraheli-seadmete roll supramolekulaarses keemias

Katsetööde läbiviimiseks kasutati ultrahelitöötlust kompaktse laboratoorse ultraheliprotsessoriga Hielscher UP50H. UP50H on 50 W võimsusega ja 30 kHz sagedusega sondtüüpi ultraheliseade, mis on mõeldud väikeste laboriproovide töötlemiseks ning mida kasutatakse keemia-, bioloogia-, meditsiini- ja analüütilaborites. Hielscher kirjeldab UP50H-d kui seadet, mis sobib nii käeshoitavaks kui ka alusele paigaldatud kasutamiseks ning selliste ülesannete täitmiseks nagu väikeste proovikoguste dispersioon, lahustamine, emulgeerimine ja homogeniseerimine.
Käesolevas uuringus andis UP50H ultrasonilist energiat, mis oli vajalik supramolekulaarsete agregaatide ümberkujundamise käivitamiseks ja suunamiseks. See illustreerib keemikutele olulist praktilist aspekti: väikese mahuga laboratoorne ultrahelitöötlus võib paljastada protsessi võimalusi, mida on muidu raske tuvastada üksnes segamise, kuumutamise või passiivse laagerdumise abil.
Seetõttu saab supramolekulaarse keemia puhul sondtüüpi ultraheliseadmeid, nagu näiteks UP50H, kasutada mitte ainult proovide ettevalmistamiseks, vaid ka aktiivse eksperimentaalse muutujana. Ultrahelitöötluse temperatuuri ja kestuse muutmise abil saavad teadlased uurida kineetilisi ja termodünaamilisi režiime, analüüsida agregatsiooni protsesse ning tuvastada metastabiilseid või stabiilseid polümorfe.
 

(R,R)- ja (S,S)-PBI ratsemaatilise segu spektroskoopilised uuringud. a (R,R)- ja (S,S)-PBI keemilised struktuurid ning skeemiline kujutis (R,R)- ja (S,S)-PBI ultrheli poolt indutseeritud supramolekulaarse polümerisatsiooni skeemiline kujutis konglomeraatideks Con-Agg 1 ja Con-Agg 2 ning ratsemaatseks supramolekulaarseks polümeeriks Rac-Agg 4.
Uuring ja skeem: ©Wehner jt., 2020

Laboratoorsest avastusest kuni mastaapselt rakendatava ultrahelitöötluseni

Hielscheri ultraheliseadmete peamine eelis on ultraheliseadmete kättesaadavus kogu arendusketi ulatuses: alates kompaktseist laboriseadmetest kuni laua peale paigaldatavate süsteemide ja tööstuslike ultraheliprotsessoriteni. Hielscher pakub ultraheliseadmeid ja -andureid vedelike töötlemiseks laboritasandist tootmistasandini, mille rakenduste hulka kuuluvad keemiline töötlemine, osakeste suuruse vähendamine, ekstraheerimine, dispersioon ja homogeniseerimine.
See on oluline, sest paljud paljulubavad sonokeemilised või supramolekulaarsed avastused ei jõua laborist kaugemale, kui protsessi ei ole võimalik suuremas mastaabis korrata. Hielscheri lähenemine ultraheliprotsesside arendamisele põhineb reguleeritavatel parameetritel ja skaleeritavatel seadmete konfiguratsioonidel. Kui tõhus ultraheliprotsessi vahemik on kindlaks määratud, saab protsessi üle kanda suurematele ultrahelisüsteemidele, säilitades asjakohase energiasisendi ja töötlemistingimused.
Tööstuslikele kasutajatele tähendab see, et ultrahelitöötlust võib pidada mitte ainult uurimismeetodiks, vaid ka protsessitehnoloogiaks.

Inline-ultrahelitöötlus pidevaks keemiliseks töötlemiseks

Partiipõhine ultrahelitöötlus on kasulik laboratoorseks sõelumiseks ja väikese mahuga optimeerimiseks. Keemiatööstuses on aga sageli vaja pidevat tööd, korratavust ja kindlaksmääratud viibeaegu. Hielscheri ultrahelisüsteemid toetavad voolusisest ultrahelitöötlust, mille puhul vedelikud pumbatakse läbi ultraheli voolukambri või reaktori ning neid mõjutatakse kavitatsiooniväljaga kontrollitud tingimustes.
Inline-ultrahelitöötlust saab teostada ühekordse läbivoolu režiimis või ringlusrežiimis, mis võimaldab vedelikul läbida ultrahelitöötlusala ühe või mitu korda. Hielscher märgib, et nende ultraheliprotsessorid sobivad nii partiipõhiseks kui ka pidevaks inline-töötluseks, alates laboratoorsetest ja laua-seadmetest kuni täieliku tööstusliku mastaabini.

Supramolekulaarse keemia ja keemiatehnoloogia valdkonnas pakub protsessisisene ultrahelitöötlus mitmeid eeliseid:

• kontrollitud viibeaeg kavitatsioonitsoonis
• parem korratavus võrreldes kontrollimata partiide segamisega
• parem soojuse juhtimine vooluandurite ja välise jahutuse abil
• suuremate koguste pidev töötlemine
• lihtsam integreerimine olemasolevatesse keemiatööstuse tootmisliinidesse
• ravi intensiivsuse reguleerimine voolukiiruse, amplituudi ja reaktori konfiguratsiooni muutmise teel

Protsessisõltuvas keemias võivad need parameetrid olla otsustava tähtsusega. Kui supramolekulaarne süsteem reageerib lühiajalisele, intensiivsele ultrahelitöötlusele teisiti kui pikaajalisele, kergele ultrahelitöötlusele, pakub inline-töötlemine tehnilist raamistikku selle mõju määratlemiseks ja taasesitamiseks.

Lineaarne mastaapimine: sonokeemilisest sõelumisest tootmiseni

Hielscheri ultrahelitehnoloogia on mõeldud laborikatsetustest tööstusliku tootmise tasemele üleminekuks. Suurte süsteemide puhul on võimalik protsessiparameetreid, nagu amplituud, rõhk ja temperatuur, optimeerida väiksemates seadmetes ning seejärel üle kanda suurema tootlikkusega seadmetele. Hielscher kirjeldab ultraheliprotsessi tõhusust lineaarselt skaleeritavana pärast optimaalse parameetrite konfiguratsiooni kindlaksmääramist.
See lineaarne mastaapsusvõime on eriti oluline keemikutele ja protsessiinseneridele, kes töötavad tundlike supramolekulaarsete süsteemidega. Isekoondunud materjalid sõltuvad sageli kitsastest protsessipiiridest. Segamisintensiivsuse, viibeaega, temperatuuriprofiili või energiatiheduse muutus võib muuta toote morfoloogiat. Skaleeritavad ultrahelisüsteemid aitavad seda riski vähendada, säilitades määratletud ultrahelitöötlemise tingimused, kui protsess liigub milliliitritest liitritesse ja lõpuks tootmismahuliste voolukiirusteni.
Hielscher pakub ka tööstuslikke inline-reaktoreid, nagu näiteks MultiSonoReactor, mis on mõeldud suure läbilaskevõimega inline-ultrasonikatsiooniks. Need süsteemid on mõeldud sellisteks rakendusteks nagu homogeniseerimine, segamine, dispersioon, ekstraheerimine ja sonokeemilised reaktsioonid.

Ultraheliga sünteesitud supramolekulaarsete polümorfide teaduslik ja tööstuslik tähtsus

Uuring ultraheliga reguleeritava supramolekulaarse polümorfismi kohta on oluline, kuna see näitab, kuidas keemias saab ultraheli mõju abil saavutada sama molekulaarsüsteemi erinevaid olekuid. Selle asemel, et muuta molekuli, muutsid teadlased protsessi tingimusi. Just see teeb ultrahelitöötluse tööstuskeemias atraktiivseks: see võimaldab tulemusi parandada protsessi intensiivistamise kaudu, mitte täiendavate sünteesietappide abil.
Teadusuuringute seisukohalt aitavad need tulemused kaasa kiraalse isekogunemise, kineetilise lõksustamise, termodünaamilise juhtimise ja supramolekulaarsete energiamaastike sügavama mõistmise saavutamisele. Tööstuse jaoks võivad samad põhimõtted aidata kaasa polümorfide tõhusamale sõelumisele, funktsionaalsete materjalide kiiremale arendamisele, agregaatide morfoloogia paremale kontrollimisele ning keerukate keemiliste süsteemide töötlemise suuremale korratavusele.

Praktikas võib ultrahelitöötlus aidata keemikuid ja keemiatehnolooge järgmiselt:

• kiirendada isekogunemisel toimuvaid muutusi
• soodustada muidu kättesaamatuid koondumisradasid
• parandada reprodutseeritavust signaaliteedest sõltuvates süsteemides
• vähendada sõltuvust pikkadest tasakaalustumisajadest
• ekraanil kuvatavad toote kineetilised ja termodünaamilised seisundid
• rakendada paljulubavaid laboritulemusi tootmisprotsessides

Ultrahelitöötlus kui võimaldav tehnoloogia

Võimsusultraheli on supramolekulaarse keemia alustehnoloogia. Akustilise energia kontrollitud sisestamine võib mõjutada keeruliste süsteemide molekulaarset korraldust ning võimaldada juurdepääsu struktuuridele, mida on raske saavutada üksnes tavapärase segamise või termilise töötlemise abil.
Nimetatud uuring näitab, et Hielscheri UP50H abil on täpne laboratoorne ultrahelitöötlus väga väärtuslik supramolekulaarse alusuuringute jaoks. Hielscheri suuremate laua- ja tööstuslike ultraheliseadmete abil saab sama tehnoloogiaplatvormi laiendada protsesside optimeerimisele, tootmisliini-põhisele töötlemisele ja lineaarsele mastaapimisele.
Keemikutele avab see uusi eksperimentaalseid võimalusi isekogunemise ja polümorfide kontrollimise valdkonnas. Keemiatehnoloogidele pakub see skaleeritavat protsessivahendit, mille abil saab keemias esinevaid ultraheliefekte rakendada usaldusväärseteks tootmisstrateegiatena.

Allolev tabel annab teile ülevaate meie ultrasonikaatorite ligikaudsest töötlemisvõimsusest:

Disain, tootmine ja nõustamine – Kvaliteet Valmistatud Saksamaal

Hielscheri ultrasonikaatorid on tuntud oma kõrgeimate kvaliteedi- ja disainistandardite poolest. Vastupidavus ja lihtne kasutamine võimaldavad meie ultrasonikaatorite sujuvat integreerimist tööstusrajatistesse. Hielscheri ultrasonikaatorid saavad kergesti käsitseda karmid tingimused ja nõudlikud keskkonnad.

Hielscher Ultrasonics on ISO sertifitseeritud ettevõte ja paneb erilist rõhku suure jõudlusega ultrasonikaatoritele, millel on tipptasemel tehnoloogia ja kasutajasõbralikkus. Loomulikult on Hielscheri ultrasonikaatorid CE-nõuetele vastavad ja vastavad UL, CSA ja RoHs nõuetele.

Kirjandus / Viited