La sonication ouvre de nouvelles voies dans la chimie supramoléculaire

La chimie supramoléculaire repose sur des interactions faibles et réversibles : liaisons hydrogène, empilement π–π, forces de van der Waals, effets solvophobes et reconnaissance chirale. Ces interactions permettent aux molécules de s'auto-organiser en structures plus complexes telles que des fibres, des bâtonnets, des gels, des agrégats et des polymères supramoléculaires. Pour les chimistes et les ingénieurs en chimie, le défi ne consiste pas seulement à former de telles structures, mais aussi à contrôler quelle structure se forme, à quelle vitesse elle se forme et si elle reste piégée cinétiquement ou atteint l'état thermodynamiquement le plus stable.

Effets ultrasoniques en chimie : la sonication contrôle l'auto-assemblage supramoléculaire

Une étude scientifique menée par Wehner et al. (2020) et publiée dans *Nature Communications* démontre que les ultrasons peuvent être utilisés comme un puissant stimulus externe pour contrôler les voies d’auto-assemblage en chimie supramoléculaire. Les chercheurs ont étudié un mélange racémique de molécules chirales de pérylène bisimide et ont montré que la sonication pouvait orienter la formation de polymorphes supramoléculaires distincts. En fonction des conditions ultrasoniques, le système a produit différentes structures auto-assemblées, notamment des conglomérats contrôlés cinétiquement et un polymère supramoléculaire racémique thermodynamiquement stable. L'étude a explicitement utilisé un processeur ultrasonique Hielscher UP50H pour l'ultrasonication, fonctionnant à 30 kHz, 50 W et une amplitude de 100 %.
Ce résultat revêt une grande importance pour la chimie moderne des matériaux, car il montre que les ultrasons ne sont pas simplement un outil de mélange ou de dispersion. Dans des conditions bien définies, la sonication peut servir de paramètre de procédé pour le contrôle des voies moléculaires.

Pourquoi les effets ultrasoniques sont-ils importants en chimie ?

En chimie, les effets ultrasoniques sont principalement dus à la cavitation acoustique. Lorsqu’on applique des ultrasons de forte intensité à un liquide, les cycles de pression alternés génèrent des bulles de cavitation microscopiques. Leur croissance et leur effondrement produisent des conditions localisées de haute énergie, des micro-écoulements intenses, de forts gradients de cisaillement et un transfert de masse efficace. Dans les procédés chimiques et de traitement des matériaux, ces effets peuvent influencer la nucléation, l'agrégation, la formation de particules, la dispersion, la cristallisation et l'auto-assemblage.
En chimie supramoléculaire, cela revêt une importance particulière, car de nombreux systèmes dépendent du cheminement. Une même molécule peut s'assembler en différents polymorphes en fonction de l'ordre et de l'intensité de l'apport d'énergie, de la température, de la concentration, de la composition du solvant et du temps. La sonication offre un moyen contrôlable d'introduire de l'énergie mécanique dans le système sans modifier la structure moléculaire du composant de base.
Pour les ingénieurs en génie chimique, cela constitue un avantage décisif : les ultrasons peuvent être paramétrés. L'amplitude, la puissance, la géométrie de la sonotrode et du réacteur, la température, le temps de séjour, la pression et le débit peuvent être ajustés, surveillés et transposés des essais de faisabilité à des volumes de traitement plus importants.

La sonication comme outil de contrôle de l'auto-assemblage

Cette étude a porté sur l'auto-assemblage d'un mélange racémique de deux molécules énantiomères de pérylène bisimide. En l'absence d'un stimulus externe approprié, ces systèmes peuvent suivre une voie d'agrégation privilégiée ou rester piégés dans des états métastables. En appliquant une ultrasonication contrôlée, les chercheurs ont pu obtenir différents résultats supramoléculaires.
La conclusion principale est simple mais percutante : la sonication a modifié le processus d’auto-assemblage. À certaines températures et concentrations, les ultrasons de puissance ont favorisé la transformation d’un état d’agrégat en un autre. Dans des conditions de sonication cinétique, le système a formé un conglomérat supramoléculaire. Dans des conditions de sonication thermodynamique, il a formé un polymère supramoléculaire racémique présentant une morphologie différente et une plus grande stabilité.
L'impact scientifique réside dans la capacité à déterminer si c'est l'agrégation homochirale ou hétérochirale qui prédomine. L'impact industriel s'inscrit dans une perspective plus large : la sonication peut contribuer à orienter l'organisation moléculaire, et pas seulement à accélérer le traitement.

Cela concerne :

• polymères supramoléculaires et matériaux organiques fonctionnels
• recherche sur l'agrégation chirale et la résolution des racémates
• cristallisation et criblage des polymorphes
• formation de nanofibres, de nanobâtonnets et d'agrégats de colorants
• développement de formulations et traitement avancé des matériaux
• mise à l'échelle de procédés chimiques assistés par ultrasons

Le rôle des sonicateurs Hielscher en chimie supramoléculaire

Pour les travaux expérimentaux, le traitement par ultrasons a été réalisé à l'aide de l'UP50H de Hielscher, un processeur ultrasonique de laboratoire compact. L'UP50H est un sonicateur à sonde de 50 W et 30 kHz, conçu pour les petits échantillons de laboratoire ; il est utilisé dans les laboratoires chimiques, biologiques, médicaux et d'analyse. Hielscher décrit l'UP50H comme un appareil adapté à une utilisation à la main ou sur pied, et à des tâches telles que la dispersion, la dissolution, l'émulsification et l'homogénéisation de petits volumes d'échantillons.
Dans cette étude, l’UP50H a fourni l’énergie ultrasonique nécessaire pour déclencher et guider la transformation d’agrégats supramoléculaires. Cela met en évidence un aspect pratique important pour les chimistes : la sonication en laboratoire à petit volume peut permettre de mettre en évidence des fenêtres de procédé qui seraient autrement difficiles à identifier par simple agitation, chauffage ou vieillissement passif.
En chimie supramoléculaire, les sonicateurs à sonde tels que l’UP50H peuvent donc être utilisés non seulement pour la préparation des échantillons, mais aussi comme variable expérimentale active. En modifiant la température et la durée de la sonication, les chercheurs peuvent étudier les régimes cinétiques et thermodynamiques, passer au crible les voies d’agrégation et identifier des polymorphes métastables ou stables.
 

Études spectroscopiques du mélange racémique de (R,R)- et (S,S)-PBI. a Structures chimiques du (R,R)- et du (S,S)-PBI et représentation schématique de la polymérisation supramoléculaire induite par ultrasons du mélange racémique de (R,R)- et (S,S)-PBI en les conglomérats Con-Agg 1 et Con-Agg 2 et en le polymère supramoléculaire racémique Rac-Agg 4.
Étude et schéma : ©Wehner et al., 2020

De la découverte en laboratoire au traitement par ultrasons à grande échelle

L'un des principaux avantages des sonicateurs Hielscher réside dans la disponibilité d'équipements à ultrasons couvrant l'ensemble de la chaîne de développement : des appareils de laboratoire compacts aux systèmes de paillasse, en passant par les processeurs à ultrasons industriels. Hielscher propose des soniqueurs et des sondes pour le traitement des liquides, de l'échelle laboratoire à l'échelle industrielle, avec des applications telles que le traitement chimique, la réduction de la taille des particules, l'extraction, la dispersion et l'homogénéisation.
Cela revêt une importance particulière car de nombreuses découvertes prometteuses dans les domaines de la sonochimie ou de la chimie supramoléculaire ne parviennent pas à sortir du laboratoire lorsque le procédé ne peut être reproduit à plus grande échelle. L’approche de Hielscher en matière de développement de procédés ultrasoniques repose sur des paramètres contrôlables et des configurations d’équipements évolutives. Une fois qu’une fenêtre de procédé ultrasonique efficace a été identifiée, le procédé peut être transposé à des systèmes ultrasoniques de plus grande taille en conservant l’apport d’énergie et les conditions de traitement appropriés.
Pour les utilisateurs industriels, cela signifie que la sonication peut être considérée non seulement comme une méthode de recherche, mais aussi comme une technologie de procédé.

Traitement par ultrasons en ligne pour la transformation chimique en continu

La sonication par lots est utile pour le criblage en laboratoire et l'optimisation à petit volume. Cependant, la production chimique nécessite souvent un fonctionnement en continu, une reproductibilité et des temps de séjour définis. Les systèmes ultrasoniques Hielscher permettent une sonication en ligne, dans laquelle les liquides sont pompés à travers une cellule d'écoulement ou un réacteur ultrasonique et exposés au champ de cavitation dans des conditions contrôlées.
La sonication en ligne peut fonctionner en mode à passage unique ou en mode de recirculation, ce qui permet au liquide de traverser une ou plusieurs fois la zone de traitement par ultrasons. Hielscher précise que ses processeurs à ultrasons sont adaptés aussi bien au traitement par lots qu’au traitement en continu en ligne, depuis les appareils de laboratoire et de table jusqu’à l’échelle industrielle complète.

En chimie supramoléculaire et en génie chimique, la sonication en ligne présente plusieurs avantages :

• temps de séjour contrôlé dans la zone de cavitation
• une meilleure reproductibilité par rapport à une agitation non contrôlée par lots
• une meilleure gestion thermique grâce à des cellules à flux et à un système de refroidissement externe
• traitement en continu pour des volumes plus importants
• une intégration plus aisée dans les chaînes de production chimiques existantes
• intensité de traitement modulable grâce au réglage du débit, de l'amplitude et de la configuration du réacteur

En chimie dépendante des voies de réaction, ces paramètres peuvent s'avérer déterminants. Si un système supramoléculaire réagit différemment à une sonication brève et intense par rapport à une sonication prolongée et modérée, le traitement en ligne offre le cadre technique nécessaire pour définir et reproduire cette exposition.

Mise à l'échelle linéaire : du criblage sonochimique à la production

La technologie ultrasonique Hielscher est conçue pour permettre la transposition des essais en laboratoire vers les processus industriels. Pour les grands systèmes, les paramètres de processus tels que l'amplitude, la pression et la température peuvent être optimisés dans des installations à plus petite échelle, puis transposés à des équipements à plus grand débit. Hielscher décrit l'efficacité des processus ultrasoniques comme étant linéairement évolutive une fois que la configuration optimale des paramètres a été identifiée.
Cette capacité de transposition linéaire revêt une importance particulière pour les chimistes et les ingénieurs de procédés travaillant avec des systèmes supramoléculaires sensibles. Les matériaux auto-assemblés dépendent souvent de marges de processus très étroites. Une variation de l’intensité de mélange, du temps de séjour, du profil de température ou de la densité d’énergie peut modifier la morphologie du produit. Les systèmes ultrasoniques évolutifs contribuent à réduire ce risque en préservant des conditions de sonication définies à mesure que le processus passe de l’échelle des millilitres à celle des litres, puis, à terme, à des débits à l’échelle industrielle.
Hielscher propose également des réacteurs industriels en ligne, tels que le MultiSonoReactor, destinés à la sonication en ligne à haut débit. Ces systèmes sont conçus pour des applications telles que l'homogénéisation, le mélange, la dispersion, l'extraction et les réactions sonochimiques.

Importance scientifique et industrielle des polymorphes supramoléculaires synthétisés par ultrasons

Cette étude sur le polymorphisme supramoléculaire contrôlé par ultrasons revêt une grande importance, car elle démontre comment les effets ultrasoniques en chimie peuvent être utilisés pour obtenir différents états de la matière à partir d’un même système moléculaire. Plutôt que de modifier la molécule, les chercheurs ont modifié les conditions du procédé. C'est précisément là que la sonication devient intéressante pour la chimie industrielle : elle permet d'améliorer les résultats grâce à l'intensification des procédés plutôt qu'à l'ajout d'étapes de synthèse supplémentaires.
Dans le domaine de la recherche scientifique, ces résultats permettent de mieux comprendre l'auto-assemblage chiral, le piégeage cinétique, le contrôle thermodynamique et les paysages énergétiques supramoléculaires. Dans le secteur industriel, ces mêmes principes pourraient permettre d'améliorer le criblage des polymorphes, d'accélérer le développement de matériaux fonctionnels, de mieux contrôler la morphologie des agrégats et d'assurer une plus grande reproductibilité dans le traitement des systèmes chimiques avancés.

Concrètement, la sonication peut aider les chimistes et les ingénieurs en chimie :

• accélérer les transformations par auto-assemblage
• favoriser des voies d'agrégation qui seraient autrement inaccessibles
• améliorer la reproductibilité dans les systèmes dépendants des voies de signalisation
• réduire la dépendance vis-à-vis des longs temps d'équilibrage
• afficher les états cinétiques et thermodynamiques des produits
• intégrer les résultats prometteurs obtenus en laboratoire dans les processus de production en continu

Le traitement par ultrasons en tant que technologie habilitante

Les ultrasons de puissance constituent une technologie clé pour la chimie supramoléculaire. L'apport contrôlé d'énergie acoustique permet d'influencer l'organisation moléculaire de systèmes complexes et d'obtenir des structures difficiles à obtenir par simple agitation ou traitement thermique conventionnels.
Grâce à l'UP50H de Hielscher, l'étude citée démontre l'intérêt d'une sonication de laboratoire précise pour la recherche fondamentale en supramoléculaire. Avec les soniqueurs de paillasse et industriels de plus grande taille de Hielscher, cette même plateforme technologique peut être étendue à l'optimisation des procédés, au traitement en ligne et à la mise à l'échelle linéaire.
Pour les chimistes, cela ouvre de nouvelles voies expérimentales dans le domaine de l'auto-assemblage et du contrôle des polymorphes. Pour les ingénieurs en génie chimique, cela constitue un outil de procédés évolutif permettant de traduire les effets ultrasoniques en chimie en stratégies de production fiables.

Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasons :

Conception, fabrication et conseil – Qualité Made in Germany

Les ultrasons Hielscher sont réputés pour leur qualité et leurs normes de conception les plus élevées. La robustesse et la facilité d'utilisation permettent une intégration aisée de nos ultrasons dans les installations industrielles. Les conditions difficiles et les environnements exigeants sont facilement gérés par les ultrasons Hielscher.

Hielscher Ultrasonics est une entreprise certifiée ISO et met l'accent sur les ultrasons de haute performance, dotés d'une technologie de pointe et d'une grande facilité d'utilisation. Bien entendu, les ultrasons Hielscher sont conformes à la norme CE et répondent aux exigences des normes UL, CSA et RoHs.

Littérature / Références