Ultraäänikäsittely avaa uusia mahdollisuuksia supramolekyylikemiassa

Supramolekyylikemia perustuu heikkoihin, käännettävissä oleviin vuorovaikutuksiin: vetysidoksiin, π–π-pinoitumiseen, van der Waalsin voimiin, solvofobisiin ilmiöihin ja kiraaliseen tunnistamiseen. Näiden vuorovaikutusten ansiosta molekyylit voivat järjestäytyä itsestään suuremmiksi rakenteiksi, kuten kuiduiksi, sauvoiksi, geeleiksi, aggregaateiksi ja supramolekyylipolymeereiksi. Kemisteille ja kemian insinööreille haasteena ei ole pelkästään tällaisten rakenteiden muodostaminen, vaan myös sen hallitseminen, mikä rakenne muodostuu, kuinka nopeasti se muodostuu ja jääkö se kineettisesti loukkuun vai saavuttaako se termodynaamisesti vakaimman tilan.

Ultraäänen vaikutukset kemiassa: Ultraäänikäsittely ohjaa supramolekyylistä itsestään tapahtuvaa järjestäytymistä

Wehnerin ym. (2020) Nature Communications -lehdessä julkaistu tieteellinen tutkimus osoittaa, että ultraäänikäsittelyä voidaan käyttää tehokkaana ulkoisena ärsykkeenä supramolekyylikemian itsejärjestäytymisreittien ohjaamiseen. Tutkijat tutkivat kiraalisten peryleenibisimidimolekyylien racemista seosta ja osoittivat, että ultraäänikäsittely voi ohjata erillisten supramolekyylisten polymorfien muodostumista. Ultraäänikäsittelyolosuhteista riippuen järjestelmä tuotti erilaisia itsejärjestyneitä rakenteita, mukaan lukien kineettisesti kontrolloidut konglomeraatit ja termodynaamisesti stabiilin racemisen supramolekyylisen polymeerin. Tutkimuksessa käytettiin nimenomaisesti Hielscher UP50H -ultraääniprosessoria, jota käytettiin 30 kHz:n taajuudella, 50 W:n teholla ja 100 %:n amplitudilla.
Tämä tulos on erittäin merkityksellinen nykyaikaiselle materiaalikemialle, sillä se osoittaa, että ultraääni ei ole pelkästään sekoitus- tai dispergointiväline. Tarkasti määritellyissä olosuhteissa ultraäänikäsittely voi toimia prosessiparametrina molekyylireittien ohjaamisessa.

Miksi ultraäänivaikutukset ovat tärkeitä kemiassa

Ultraäänivaikutukset kemiassa johtuvat pääasiassa akustisesta kavitaatiosta. Kun nestemäiseen aineeseen johdetaan voimakasta ultraääntä, vuorottelevat painejaksot synnyttävät mikroskooppisia kavitaatiokuplia. Niiden kasvu ja romahtaminen tuottavat paikallisia korkean energian olosuhteita, voimakkaita mikrovirtauksia, suuria leikkausgradientteja ja tehokasta massansiirtoa. Kemian ja materiaalitekniikan prosesseissa nämä vaikutukset voivat vaikuttaa ydintymiseen, aggregaatioon, hiukkasten muodostumiseen, dispersiin, kiteytymiseen ja itsestään tapahtuvaan järjestäytymiseen.
Supramolekyylikemiassa tämä on erityisen arvokasta, koska monet järjestelmät ovat reitistä riippuvaisia. Sama molekyyli voi muodostaa erilaisia polymorfeja riippuen syötetyn energian järjestyksestä ja voimakkuudesta, lämpötilasta, pitoisuudesta, liuottimen koostumuksesta ja ajasta. Ultraäänikäsittely tarjoaa hallittavan tavan tuoda mekaanista energiaa järjestelmään muuttamatta rakennuspalikan molekyylirakennetta.
Kemian insinööreille tämä on ratkaiseva etu: ultraääni on parametroitavissa. Amplitudia, tehoa, sonotrodin ja reaktorin geometriaa, lämpötilaa, viipymäaikaa, painetta ja virtausnopeutta voidaan säätää, seurata ja siirtää toteutettavuustesteistä suurempiin prosessimääriin.

Ultraäänikäsittely itsestään järjestäytymisen ohjauksen välineenä

Tutkimuksessa tarkasteltiin kahden enantiomeerisen peryleenibisimidimolekyylin racemisen seoksen itsestään tapahtuvaa järjestäytymistä. Ilman sopivaa ulkoista ärsykettä tällaiset järjestelmät voivat seurata tiettyä suosittua aggregaatioreittiä tai jäädä loukkuun metastabiileihin tiloihin. Soveltamalla hallittua ultraäänikäsittelyä tutkijat pystyivät saavuttamaan erilaisia supramolekyylisiä tuloksia.
Keskeinen havainto on yksinkertainen mutta merkittävä: ultraäänikäsittely muutti itsejärjestäytymisprosessia. Tietyissä lämpötiloissa ja pitoisuuksissa tehoultraääni edisti siirtymistä yhdestä aggregaattitilasta toiseen. Kineettisissä ultraäänikäsittelyolosuhteissa järjestelmä muodosti supramolekyylisen konglomeraatin. Termodynaamisissa ultraäänikäsittelyolosuhteissa se muodosti racemisen supramolekyylisen polymeerin, jolla oli erilainen morfologia ja suurempi stabiilisuus.
Tieteellinen merkitys piilee kyvyssä vaikuttaa siihen, hallitseeko homokiraalinen vai heterokiraalinen aggregaatio. Teollinen merkitys liittyy laajempaan käsitteeseen: ultraäänikäsittely voi auttaa ohjaamaan molekyylien järjestäytymistä, ei pelkästään nopeuttamaan prosessia.

Tämä koskee seuraavia:

• supramolekyyliset polymeerit ja funktionaaliset orgaaniset materiaalit
• kiraalisen aggregaation ja racemaattien erottelun tutkimus
• kiteytys ja polymorfien seulonta
• nanokuitujen, nanotankojen ja väriaineiden aggregaattien muodostuminen
• tuotekehitys ja edistyksellinen materiaalien käsittely
• ultraäänellä tuettujen kemiallisten prosessien laajentaminen

Hielscher-ultraäänilaitteiden rooli supramolekyylikemiassa

Kokeellisessa työssä ultraäänikäsittely suoritettiin Hielscher UP50H -laitteella, joka on kompakti laboratoriokäyttöön tarkoitettu ultraäänikäsittelylaite. UP50H on 50 W:n ja 30 kHz:n taajuudella toimiva anturityyppinen ultraäänikäsittelylaite, joka on suunniteltu pienille laboratorionäytteille ja jota käytetään kemian-, biologian-, lääketieteen- ja analyysilaboratorioissa. Hielscher kuvailee UP50H-laitetta sopivaksi sekä kädessä pidettäväksi että jalustalle asennettavaksi laitteeksi, jota voidaan käyttää esimerkiksi pienten näytemäärien dispergointiin, liuottamiseen, emulgointiin ja homogenisointiin.
Tässä tutkimuksessa UP50H-laite tuotti ultraäänienergian, jota tarvittiin supramolekyylisten aggregaattien muutoksen käynnistämiseen ja ohjaamiseen. Tämä havainnollistaa kemisteille tärkeän käytännön seikan: pienimuotoisella laboratoriotason ultraäänikäsittelyllä voidaan löytää prosessi-ikkunoita, joita on muuten vaikea tunnistaa pelkästään sekoittamalla, lämmittämällä tai passiivisen kypsyttämisen avulla.
Supramolekyylikemian alalla UP50H:n kaltaisia koettimellisia ultraäänilaitteita voidaan siten käyttää paitsi näytteiden valmisteluun myös aktiivisena kokeellisena muuttujana. Muuttamalla ultraäänikäsittelyn lämpötilaa ja kestoa tutkijat voivat tutkia kineettisiä ja termodynaamisia olosuhteita, kartoittaa aggregaatioreittejä sekä tunnistaa metastabiileja tai stabiileja polymorfeja.
 

(R,R)- ja (S,S)-PBI:n raseemisen seoksen spektroskooppiset tutkimukset. a (R,R)- ja (S,S)-PBI:n kemialliset rakenteet sekä kaaviokuva (R,R)- ja (S,S)-PBI:n supramolekyylipolymeroitumista ultraäänellä konglomeraateiksi Con-Agg 1 ja Con-Agg 2 sekä racemiseen supramolekyylipolymeeriin Rac-Agg 4.
Tutkimus ja kaavio: ©Wehner ym., 2020

Laboratoriossa tehdystä keksinnöstä laajamittaiseen ultraäänikäsittelyyn

Hielscherin ultraäänilaitteiden merkittävä etu on ultraäänilaitteiden saatavuus koko kehitysketjun laajuudelta: kompakteista laboratoriolaitteista pöytämallisiin järjestelmiin ja teollisiin ultraääniprosessoreihin. Hielscher tarjoaa ultraäänilaitteita ja -antureita nesteiden käsittelyyn laboratoriomittakaavasta tuotantomittakaavaan, ja niiden käyttökohteita ovat muun muassa kemiallinen prosessointi, hiukkaskokojen pienentäminen, uuttaminen, dispergointi ja homogenisointi.
Tämä on tärkeää, koska monet lupaavat sonokemialliset tai supramolekyyliset löydökset eivät pääse laboratoriovaihetta pidemmälle, jos prosessia ei voida toistaa suuremmassa mittakaavassa. Hielscherin lähestymistapa ultraääniprosessien kehittämiseen perustuu hallittaviin parametreihin ja skaalattaviin laitteistokokoonpanoihin. Kun tehokas ultraääniprosessin toiminta-alue on tunnistettu, prosessi voidaan siirtää suurempiin ultraäänijärjestelmiin säilyttämällä asianmukainen energiansyöttö ja prosessointiolosuhteet.
Teollisuuden käyttäjille tämä tarkoittaa, että ultraäänikäsittelyä voidaan pitää paitsi tutkimusmenetelmänä myös prosessiteknologiana.

Inline-ultraäänikäsittely jatkuvassa kemian prosessoinnissa

Eräkohtainen ultraäänikäsittely sopii hyvin laboratoriotutkimuksiin ja pienimuotoiseen optimointiin. Kemikaalien tuotanto vaatii kuitenkin usein jatkuvaa toimintaa, toistettavuutta ja määriteltyjä viipymäaikoja. Hielscherin ultraäänijärjestelmät mahdollistavat inline-ultraäänikäsittelyn, jossa nesteet pumpataan ultraäänivirtauskennoon tai reaktoriin ja altistetaan kavitaatiokentälle hallituissa olosuhteissa.
Inline-ultraäänikäsittelyä voidaan käyttää yksivaiheisessa tai kierrätystilassa, jolloin neste kulkee ultraäänikäsittelyalueen läpi joko kerran tai useita kertoja. Hielscher ilmoittaa, että sen ultraäänikäsittelylaitteita on saatavilla sekä erä- että jatkuvaan inline-käsittelyyn, laboratorio- ja pöytälaitteista täysimittaiseen teolliseen tuotantoon.

Supramolekyylikemian ja kemian tekniikan aloilla prosessin aikana tapahtuvalla ultraäänikäsittelyllä on useita etuja:

• säädelty viipymäaika kavitaatioalueella
• parempi toistettavuus verrattuna kontrolloimattomaan erän sekoittamiseen
• parempi lämmönhallinta virtauskennojen ja ulkoisen jäähdytyksen avulla
• jatkuva käsittely suuremmille määrille
• helpompi integrointi olemassa oleviin kemikaalituotantolinjoihin
• käsittelyintensiteetin skaalattavuus virtausnopeuden, amplitudin ja reaktorin kokoonpanon säätämisen avulla

Reittiriippuvaisessa kemiassa nämä parametrit voivat olla ratkaisevia. Jos supramolekyylinen järjestelmä reagoi eri tavalla lyhytaikaiseen, voimakkaaseen ultraäänikäsittelyyn kuin pitkäkestoiseen, lievään ultraäänikäsittelyyn, inline-käsittely tarjoaa teknisen kehyksen, jonka avulla kyseinen altistuminen voidaan määritellä ja toistaa.

Lineaarinen laajentaminen: sonokemiallisesta seulonnasta tuotantoon

Hielscherin ultraääniteknologia on suunniteltu skaalautuvaksi laboratoriotestauksesta teolliseen prosessointiin. Suurissa järjestelmissä prosessiparametreja, kuten amplitudia, painetta ja lämpötilaa, voidaan optimoida pienemmissä kokoonpanoissa ja siirtää sitten suuremman kapasiteetin laitteistoihin. Hielscher kuvailee ultraääniprosessin tehokkuutta lineaarisesti skaalautuvaksi sen jälkeen, kun optimaalinen parametrikokoonpano on määritetty.
Tämä lineaarinen skaalautuvuus on erityisen tärkeää kemisteille ja prosessisuunnittelijoille, jotka työskentelevät herkillä supramolekyylisillä järjestelmillä. Itsejärjestyvät materiaalit ovat usein riippuvaisia kapeista prosessi-ikkunoista. Muutos sekoitusintensiteetissä, viipymäajassa, lämpötilaprofiilissa tai energiatiheydessä voi muuttaa tuotteen morfologiaa. Skaalattavat ultraäänijärjestelmät auttavat vähentämään tätä riskiä säilyttämällä määritellyt ultraäänikäsittelyolosuhteet, kun prosessi siirtyy millilitroista litroihin ja lopulta tuotantomittakaavan virtausnopeuksiin.
Hielscher tarjoaa myös teollisuuskäyttöön tarkoitettuja inline-reaktoreita, kuten MultiSonoReactor-mallia, joka on tarkoitettu suurikapasiteettiseen inline-ultraäänikäsittelyyn. Nämä järjestelmät on suunniteltu muun muassa homogenisointiin, sekoittamiseen, dispergointiin, uuttamiseen ja sonokemiallisiin reaktioihin.

Ultraäänellä syntetisoitujen supramolekyylisten polymorfien tieteellinen ja teollinen merkitys

Ultraääniohjattuun supramolekyyliseen polymorfismiin kohdistuva tutkimus on merkittävä, koska se osoittaa, kuinka kemian alalla ultraäänivaikutuksia voidaan hyödyntää saman molekyylijärjestelmän eri olomuotojen saavuttamiseksi. Sen sijaan, että tutkijat olisivat muuttaneet molekyyliä, he muuttivat prosessiolosuhteita. Juuri tässä sonikaatio osoittautuu houkuttelevaksi teollisen kemian kannalta: se voi parantaa tuloksia prosessin tehostamisen avulla ilman ylimääräisiä synteettisiä vaiheita.
Tieteellisen tutkimuksen kannalta tulokset edistävät syvempää ymmärrystä kiraalisesta itsestään järjestäytymisestä, kineettisestä vangitsemisesta, termodynaamisesta hallinnasta ja supramolekyylisistä energiamaisemista. Teollisuuden kannalta samat periaatteet voivat tukea polymorfien parempaa seulontaa, toiminnallisten materiaalien nopeampaa kehittämistä, aggregaattien morfologian parempaa hallintaa sekä edistyneiden kemiallisten järjestelmien toistettavampaa käsittelyä.

Käytännössä ultraäänikäsittely voi auttaa kemistejä ja kemian insinöörejä seuraavilla tavoilla:

• nopeuttaa itsejärjestäytymisprosesseja
• edistää muuten saavuttamattomissa olevia aggregaatioreittejä
• parantaa toistettavuutta reittiriippuvaisissa järjestelmissä
• vähentää riippuvuutta pitkistä tasapainottumisaikoista
• näytetään tuotteen kineettiset ja termodynaamiset tilat
• siirtää lupaavat laboratoriotulokset tuotantoprosesseihin

Ultraäänikäsittely mahdollistavana teknologiana

Tehokas ultraääni on supramolekyylikemian mahdollistava teknologia. Akustisen energian hallittu syöttö voi vaikuttaa monimutkaisten järjestelmien molekyylirakenteeseen ja mahdollistaa sellaisten rakenteiden muodostumisen, joita on vaikea saavuttaa pelkästään perinteisellä sekoittamisella tai lämpökäsittelyllä.
Mainitussa tutkimuksessa osoitetaan Hielscher UP50H -laitteen avulla tarkan laboratoriotason ultraäänikäsittelyn merkitys supramolekyylitutkimuksen perustutkimuksessa. Hielscherin suuremmilla pöytä- ja teollisuusultraäänilaitteilla samaa teknologia-alustaa voidaan laajentaa prosessien optimointiin, prosessin sisäiseen käsittelyyn ja lineaariseen mittakaavan laajentamiseen.
Kemisteille tämä avaa uusia kokeellisia mahdollisuuksia itsejärjestäytymisen ja polymorfien hallinnan alalla. Kemian insinööreille se tarjoaa skaalautuvan prosessityökalun, jonka avulla kemian alalla havaittuja ultraäänivaikutuksia voidaan soveltaa luotettaviin tuotantostrategioihin.

Alla oleva taulukko antaa sinulle viitteitä ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:

Suunnittelu, valmistus ja konsultointi – Laatu valmistettu Saksassa

Hielscher-ultraääniastiat ovat tunnettuja korkeimmista laatu- ja suunnittelustandardeistaan. Kestävyys ja helppokäyttöisyys mahdollistavat ultraäänilaitteidemme sujuvan integroinnin teollisuuslaitoksiin. Hielscher-ultraäänilaitteet käsittelevät helposti karkeita olosuhteita ja vaativia ympäristöjä.

Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifioitu yritys ja painottaa erityisesti korkean suorituskyvyn ultraäänilaitteita, joissa on huipputeknologia ja käyttäjäystävällisyys. Tietenkin, Hielscher-ultraäänilaitteet ovat CE-yhteensopivia ja täyttävät UL: n, CSA: n ja RoHs: n vaatimukset.

Kirjallisuus / Viitteet