ساختارهای فوق‌مولکولی مونتاژشده به‌وسیلهٔ فراصوت‌دهی
فراصوت‌دهی ابزاری قدرتمند و چندمنظوره در شیمی فوق‌مولکولی است که کنترل دقیق فرایندهای مونتاژ غیرکووالانسی را ممکن می‌سازد؛ فرایندهایی که اغلب به پارامترهای سینتیکی و ترمودینامیکی حساس‌اند. اعمال فراصوت پرتوان به یک محیط مایع بر برهم‌کنش‌های مولکولی اثر می‌گذارد، خودآرایی را تسریع می‌کند، اختلاط را بهبود می‌بخشد و بازآرایی ساختاری را در مقیاس نانو پیش می‌برد.
فراصوت‌دهی چگونه بر مونتاژ فوق‌مولکولی اثر می‌گذارد
در سامانه‌های فوق‌مولکولی، که برهم‌کنش‌های ضعیفی مانند پیوند هیدروژنی، انباشتگی π–π، کوئوردیناسیون فلزی و نیروهای واندروالس بر تشکیل ساختار حاکم‌اند، فراصوت می‌تواند به‌طور انتخابی بر مسیرهای مونتاژ اثر بگذارد. فراصوت هسته‌زایی همگن را امکان‌پذیر می‌کند، به پراکنده‌سازی واحدهای سازنده کمک می‌کند و تشکیل معماری‌های شبه‌پایدار یا به‌دام‌افتاده از نظر سینتیکی را تسهیل می‌کند؛ معماری‌هایی که اغلب در شرایط متعارف دست‌یافتنی نیستند. افزون بر این، فراصوت‌دهی می‌تواند تعادل میان حالت‌های مونتاژشده و ازهم‌گسسته را تعدیل کند و ابزاری پویا برای کنترل سامانه‌های فوق‌مولکولی برگشت‌پذیر فراهم آورد.
فراتر از اثرات فیزیکی، سونوشیمی رویکردی سازگار با محیط‌زیست و کارآمد از نظر مصرف انرژی ارائه می‌دهد – که اغلب در شرایط بدون حلال یا ملایم انجام می‌شود – و به همین دلیل برای سنتز ژل‌های فوق‌مولکولی، نانوالیاف، کمپلکس‌های میزبان–مهمان و نانوساختارهای هیبریدی جذاب است. در نتیجه، فراصوت‌دهی نه‌تنها یک روش آماده‌سازی نمونه، بلکه نیروی محرک مکانوشیمیایی محوری در طراحی عقلانی و فرآوری مواد فوق‌مولکولی است.
سونیکاتور UP400St برای سنتز کارآمد ساختارهای فوق‌مولکولی
سنتز فوق‌مولکول‌ها با کمک فراصوت
فراصوت‌دهی می‌تواند از طریق کاویتاسیون آکوستیکی، گرادیان‌های گذرای برش و برخورد ریزجت‌ها، تشکیل، پایدارسازی یا تبدیل طیف گسترده‌ای از سامانه‌های فوق‌مولکولی را به پیش ببرد. دسته‌های زیر ساختارهای متداولی را نشان می‌دهند که از طریق خودآرایی به‌کمک فراصوت به دست می‌آیند یا تحت تأثیر آن قرار می‌گیرند:
- کمپلکس‌های فوق‌مولکولی میزبان–مهمان
کمپلکس‌های درون‌گیر سیکلودکسترین
سامانه‌های میزبان–مهمان مبتنی بر کوکوربیتوریل
مجموعه‌های کالیکس‌آرن و پیلار[5]آرن
مولکول‌های درهم‌قفل‌شدهٔ مکانیکی (روتاکسان‌ها، کاتنان‌ها) - اکسید گرافن فوق‌مولکولی و هیبریدهای 2بعدی
- کمپلکس‌های اکسید گرافن–کروموفور با انباشتگی π–π
- هیبریدهای فوق‌مولکولی اکسید گرافن–پلیمر
- عامل‌دارسازی غیرکووالانسی با پورفیرین‌ها، فولرن‌ها یا پپتیدها
- نانوالیاف و نانولوله‌های فوق‌مولکولی
- نانوالیاف آمفی‌فیل‌های پپتیدی
- نانوالیاف دارای سامانهٔ مزدوج π (برای مثال، مشتقات پریلن بیس‌ایمید، پورفیرین یا سیانین)
- نانولوله‌های دارای پیوند هیدروژنی یا انباشتگی π–π
- ژل‌های فوق‌مولکولی (سونوژل‌ها)
- ارگانوژل‌ها و هیدروژل‌هایی که تشکیل آن‌ها با فراصوت آغاز می‌شود یا با فراصوت پایدار می‌شوند
- گذارهای سل–ژل القاشده از طریق گرمایش و برش موضعی
- شبکه‌های فوق‌مولکولی برگشت‌پذیر (با پیوند هیدروژنی، فلز–لیگاند یا یونی)
- تجمعات و کنگلومراهای فوق‌مولکولی
- میسل‌ها و وزیکول‌های تشکیل‌شده از مولکول‌های آمفی‌فیلیک
- کواسروات‌ها و مجموعه‌های کلوئیدی
- کنگلومراهای کایرال و مجموعه‌های چندریخت تحت تأثیر انرژی ورودی فراصوت
- نانواسفنج‌ها و چارچوب‌های متخلخل فوق‌مولکولی
- نانواسفنج‌های مبتنی بر سیکلودکسترین
- چارچوب‌های فلزی–آلی (MOFs) و چارچوب‌های آلی کووالانسی (COFs) تولیدشده به روش سونوشیمیایی
- شبکه‌های فوق‌مولکولی متخلخل مورد استفاده برای کاتالیز یا بارگذاری دارو
- سایر معماری‌های فوق‌مولکولی پاسخ‌گو به فراصوت
- کپسول‌های فوق‌مولکولی و نانوکپسیدها
- تک‌لایه‌های خودآرا (SAMs) و چندلایه‌ها
- ساختارهای فوق‌مولکولی مبتنی بر DNA
- پلیمرهای کوئوردیناسیونی و متالوژل‌ها
(مطالعه و ویدئو: Rutgeerts et al., 2019)
کاربردهای فراصوت در مونتاژ فوق‌مولکولی
فراصوت از طریق اثرات مکانیکی، حرارتی و کاویتاسیونی بر خودآرایی فوق‌مولکولی اثر می‌گذارد.
این فرایندهای کلیدی عبارت‌اند از:
- امولسیون‌سازی و تشکیل نانوامولسیون
- کپسوله‌سازی فوق‌مولکولی را در سامانه‌های روغن/آب تسهیل می‌کند
- اختلاط همگن فازهای امتزاج‌ناپذیر را تقویت می‌کند
- کاهش اندازهٔ ذرات و ازهم‌گسستن تجمعات
- تجمعات یا بلورهای فوق‌مولکولی بزرگ‌تر را خرد می‌کند
- ریخت‌شناسی و چندپراکندگی را کنترل می‌کند
- پراکنده‌سازی و همگن‌سازی
- پراکنده‌سازی نانوذرات یا واحدهای سازندهٔ فوق‌مولکولی را در حلال‌ها بهبود می‌بخشد
- یکنواختی را در تشکیل ژل یا مواد هیبریدی بهبود می‌بخشد
- بهبود کپسوله‌سازی و تشکیل کمپلکس
- درون‌گیری مهمان را در سیکلودکسترین‌ها یا سامانه‌های میسلی تسریع می‌کند
- تشکیل نانوکپسول را برای دارورسانی یا کاتالیز تقویت می‌کند
- اتصال الیاف / کاهش طول
- کوتاه‌کردن نانوالیاف پپتیدی یا پلیمری با برش ناشی از کاویتاسیون
- قطعه‌قطعه‌سازی کنترل‌شدهٔ رشته‌ها و نانولوله‌های فوق‌مولکولی
- تبلور و کنترل چندریختی
- هسته‌زایی به‌کمک فراصوت برای رشد کنترل‌شدهٔ بلور
- تولید چندریخت‌های فوق‌مولکولی شبه‌پایدار یا مطلوب از نظر سینتیکی
- ایجاد اتصالات عرضی و تشکیل شبکه
- بازآرایی پیوندها را در شبکه‌های دارای پیوند هیدروژنی یا فلز–لیگاند القا می‌کند
- تشکیل چارچوب‌های فلزی–آلی فوق‌مولکولی (MOFs) را آغاز می‌کند
- تشکیل هیدروژل‌های فوق‌مولکولی و سونوژل‌ها را تقویت می‌کند
- فعال‌سازی و عامل‌دارسازی سونوشیمیایی
- واکنش‌های اصلاح فوق‌مولکولی را آغاز می‌کند
- اتصال غیرکووالانسی گروه‌های عاملی به داربست‌های میزبان را ممکن می‌سازد
- تخریب و ازهم‌گسیختگی برگشت‌پذیر
- استفاده از انرژی فراصوت برای ازهم‌گسستن برگشت‌پذیر ساختارهای فوق‌مولکولی
- رهایش کنترل‌شدهٔ گونه‌های کپسوله‌شده تحت تحریک فراصوتی
بهترین سونیکاتور را برای فوق‌مولکول‌ها تهیه کنید
سونیکاتورهای Hielscher سامانه‌های فراصوتی پروبی با عملکرد بالا هستند که به‌طور ویژه برای رساندن دقیق انرژی در فرایندهای فاز مایع طراحی شده‌اند و از این رو برای مونتاژ سونوشیمیایی و فوق‌مولکولی معماری‌های پیچیده بسیار مناسب‌اند. کنترل دقیق دامنه، زمان، حالت پالسی و دما در این سامانه‌ها، دینامیک تکرارپذیر کاویتاسیون را امکان‌پذیر می‌کند و به اختلاط کارآمد، افزایش انتقال جرم و فعال‌سازی برهم‌کنش‌های غیرکووالانسی ضروری برای سازمان‌یابی فوق‌مولکولی کمک می‌کند. در سونوشیمی، چنین کاویتاسیون آکوستیکی کنترل‌شده‌ای می‌تواند خودآرایی را تسریع کند، تشکیل کمپلکس میزبان–مهمان را تسهیل کند و بر ریخت‌شناسی یا پایداری تجمعات فوق‌مولکولی اثر بگذارد. استحکام، مقیاس‌پذیری و پایش دیجیتال فرایند در دستگاه‌های Hielscher همچنین تنظیم دقیق شرایط واکنش را از آزمایش‌های آزمایشگاهی در مقیاس کوچک تا سنتز صنعتی ممکن می‌سازد – و میان پژوهش‌های بنیادی فوق‌مولکولی و ساخت کاربردی مواد پیوند برقرار می‌کند.
جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش سونیکاتورهای ما ارائه می‌دهد:
| حجم بچ | دبی | دستگاه‌های پیشنهادی |
|---|---|---|
| 0٫5 تا 1٫5mL | قابل‌اعمال نیست | VialTweeter |
| 1 تا 500mL | 10 تا 200mL/min | UP100H |
| 10 تا 2000mL | 20 تا 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0٫1 تا 20L | 0٫2 تا 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 تا 100L | 2 تا 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 تا 150L | 3 تا 15L/min | UIP6000hdT |
| قابل‌اعمال نیست | 10 تا 100L/min | UIP16000hdT |
| قابل‌اعمال نیست | بیشتر | مجموعه‌ای از دستگاه‌های UIP16000hdT |
طراحی، ساخت و مشاوره – کیفیت ساخت آلمان
سونیکاتورهای Hielscher به بالاترین استانداردهای کیفیت و طراحی شهرت دارند. استحکام و کاربری آسان، ادغام بی‌دردسر سونیکاتورهای ما را در تأسیسات صنعتی ممکن می‌سازد. سونیکاتورهای Hielscher به‌آسانی از عهدهٔ شرایط سخت و محیط‌های پرچالش برمی‌آیند.
Hielscher Ultrasonics شرکتی دارای گواهینامهٔ ISO است و بر سونیکاتورهای دارای عملکرد بالا، مجهز به فناوری روز و برخوردار از کاربری آسان تأکید ویژه‌ای دارد. البته سونیکاتورهای Hielscher با CE انطباق دارند و الزامات UL، CSA و RoHs را برآورده می‌کنند.
امولسیون‌سازی فراصوتی مونتاژ ساختارهای فوق‌مولکولی را تقویت می‌کند
منابع علمی / مراجع
- Di Giosia, Matteo; Bomans, Paul; Bottoni, Andrea; Cantelli, Andrea; Falini, Giuseppe; Franchi, Paola; Guarracino, Giuseppe; Friedrich, Heiner; Lucarini, Marco; Paolucci, Francesco; Rapino, Stefania; Sommerdijk, Nico; Soldà, Alice; valle, Francesco ; Zerbetto, Francesco; Calvaresi, Matteo (2018): Proteins as Supramolecular Hosts for C60: A True Solution of C60 in Water. Nanoscale 10(21); 2018.
- Fatemeh Shahangi Shirazi, Kamran Akhbari (2016): Sonochemical procedures; the main synthetic method for synthesis of coinage metal ion supramolecular polymer nano structures. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 31, 2016. 51-61.
- 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.
پرسش‌های متداول
فوق‌مولکول / ابرمولکول چیست؟
فوق‌مولکول یا ابرمولکول، یک مجموعهٔ شیمیایی مجزا متشکل از دو یا چند واحد مولکولی است که به‌واسطهٔ برهم‌کنش‌های غیرکووالانسی مانند پیوند هیدروژنی، انباشتگی π–π، کوئوردیناسیون فلزی یا نیروهای واندروالس در کنار هم نگه داشته می‌شوند. برخلاف مولکول‌های دارای پیوند کووالانسی، این ساختارها از طریق فرایندهای خودآرایی برگشت‌پذیر و اغلب بسیار گزینشی پدید می‌آیند و معماری‌های پیچیده‌ای با خواص نوظهور ایجاد می‌کنند.
روش‌های پایه در شیمی فوق‌مولکولی کدام‌اند؟
روش‌های پایه در شیمی فوق‌مولکولی حول شناسایی مولکولی و خودسازمان‌یابی شکل می‌گیرند. شیمی میزبان–مهمان، سنتز قالب‌هدایت‌شده، شیمی کوئوردیناسیون و خودآرایی ناشی از نیروهای ضعیف بین‌مولکولی، بنیان مفهومی و تجربی این حوزه را تشکیل می‌دهند. ابزارهای تحلیلی مانند طیف‌سنجی NMR، گرماسنجی تیتراسیون هم‌دما و بلورشناسی پرتو ایکس در مطالعهٔ کمّی و ساختاری این برهم‌کنش‌ها نقشی محوری دارند.
دربارهٔ اینکه فراصوت‌دهی چگونه مسیرهای تازه‌ای در شیمی فوق‌مولکولی می‌گشاید، بیشتر بخوانید!
ابزار فوق‌مولکولی چیست؟
ابزار فوق‌مولکولی سامانه‌ای کارکردی است که در آن اجزای مولکولی از طریق برهم‌کنش‌های غیرکووالانسی سازمان می‌یابند تا وظایف مشخصی مانند انتقال سیگنال، کلیدزنی مولکولی، کاتالیز یا تبدیل انرژی را انجام دهند. این ابزارها اغلب با بهره‌گیری از حرکت مولکولی کنترل‌شده و برگشت‌پذیری در مقیاس نانو، عملکردهای زیستی را تقلید می‌کنند.
آیا MOFs ساختارهای فوق‌مولکولی هستند؟
چارچوب‌های فلزی–آلی (MOFs) را واقعاً می‌توان ساختارهای فوق‌مولکولی دانست، زیرا شبکه‌های بلوری گستردهٔ آن‌ها از طریق پیوندهای کوئوردیناسیونی میان یون‌ها یا خوشه‌های فلزی و اتصال‌دهنده‌های آلی ساخته می‌شوند. اگرچه این پیوندها تا حدی ماهیت کووالانسی دارند، ماهیت پیمانه‌ای و خودآرای MOFs و اتکای آن‌ها به برهم‌کنش‌های جهت‌دار و برگشت‌پذیر، از نظر مفهومی آن‌ها را در قلمرو گسترده‌تر شیمی فوق‌مولکولی قرار می‌دهد.
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا را در مقیاس‌های آزمایشگاهی تا صنعتی تولید می‌کند.