La sonication ouvre de nouvelles voies en 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 architectures plus grandes telles que des fibres, des bâtonnets, des gels, des agrégats et des polymères supramoléculaires. Pour les chimistes et les ingénieurs chimistes, le défi ne consiste pas seulement à former de telles structures, mais à contrôler quelle structure se forme, à quelle vitesse elle se forme et si elle reste cinétiquement piégée ou atteint l’état thermodynamiquement le plus stable.

Effets des ultrasons en chimie : la sonication contrôle l’auto-assemblage supramoléculaire

Une étude scientifique de Wehner et al. (2020) publiée dans Nature Communications démontre que l’ultrasonication peut être utilisée 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. Selon les conditions ultrasonores, le système a produit différentes structures auto-assemblées, notamment des conglomérats sous contrôle cinétique et un polymère supramoléculaire racémique thermodynamiquement stable. L’étude a explicitement utilisé un processeur à ultrasons Hielscher UP50H pour l’ultrasonication, fonctionnant à 30 kHz, 50 W et 100% d’amplitude.
Ce résultat est très pertinent pour la chimie des matériaux moderne, 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 agir comme un paramètre de procédé permettant de contrôler les voies moléculaires.

Pourquoi les effets des ultrasons sont importants en chimie

En chimie, les effets des ultrasons sont principalement dus à la cavitation acoustique. Lorsque des ultrasons de haute intensité sont introduits dans un liquide, les cycles de pression alternés génèrent des bulles de cavitation microscopiques. Leur croissance et leur implosion produisent des conditions localisées de haute énergie, un micro-écoulement intense, de forts gradients de cisaillement et un transfert de masse efficace. Dans les procédés chimiques et les procédés 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 est particulièrement précieux, car de nombreux systèmes dépendent de la voie suivie. Une même molécule peut s’assembler en différents polymorphes selon l’ordre et l’intensité de l’apport d’énergie, la température, la concentration, la composition du solvant et le temps. La sonication offre un moyen contrôlable d’introduire de l’énergie mécanique dans le système sans modifier la structure moléculaire de la brique élémentaire.
Pour les ingénieurs chimistes, c’est 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 transférés des essais de faisabilité à des volumes de traitement plus importants.

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

L’étude a examiné l’auto-assemblage d’un mélange racémique de deux molécules énantiomères de pérylène bisimide. En l’absence du stimulus externe approprié, de tels systèmes peuvent suivre une voie d’agrégation préférentielle ou rester piégés dans des états métastables. En appliquant une ultrasonication contrôlée, les chercheurs ont pu accéder à différents résultats supramoléculaires.
La conclusion clé est simple mais forte : la sonication a modifié la voie d’auto-assemblage. À des températures et concentrations spécifiques, les ultrasons de puissance ont favorisé la transformation d’un état d’agrégat en un autre. Dans des conditions de sonication cinétiques, le système a formé un conglomérat supramoléculaire. Dans des conditions de sonication thermodynamiques, il a formé un polymère supramoléculaire racémique présentant une morphologie différente et une stabilité plus élevée.
L’impact scientifique réside dans la capacité à influencer la prédominance de l’agrégation homochirale ou hétérochirale. L’impact industriel réside dans le concept plus large : la sonication peut aider à orienter l’organisation moléculaire, et pas seulement à accélérer le traitement.

Cela concerne :

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

Le rôle des sonicateurs Hielscher en chimie supramoléculaire

Pour les travaux expérimentaux, l’ultrasonication a été réalisée avec le Hielscher UP50H, un processeur à ultrasons de laboratoire compact. L’UP50H est un sonicateur à sonde de 50 W et 30 kHz conçu pour les petits échantillons de laboratoire et utilisé dans les laboratoires de chimie, de biologie, de médecine et d’analyse. Hielscher décrit l’UP50H comme adapté à une utilisation à la main ou sur statif 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 ultrasonore nécessaire pour déclencher et orienter la transformation des agrégats supramoléculaires. Cela illustre un point pratique important pour les chimistes : la sonication de laboratoire à petit volume peut révéler des fenêtres de procédé qu’il serait autrement difficile d’identifier par la seule agitation, le seul chauffage ou le seul 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 sonication, les chercheurs peuvent étudier les régimes cinétique et thermodynamique, cribler 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 de (R,R)- et (S,S)-PBI et représentation schématique de la polymérisation supramoléculaire induite par ultrasons du mélange racémique de (R,R)- et (S,S)-PBI en conglomérats Con-Agg 1 et Con-Agg 2 et en polymère supramoléculaire racémique Rac-Agg 4.
Étude et schéma : ©Wehner et al., 2020

De la découverte en laboratoire au traitement ultrasonore à grande échelle

Un avantage majeur des sonicateurs Hielscher est la disponibilité d’équipements à ultrasons tout au long de la chaîne de développement : des appareils de laboratoire compacts aux systèmes de paillasse et aux processeurs à ultrasons industriels. Hielscher propose des ultrasonicateurs et des sondes pour le traitement des liquides de l’échelle du laboratoire à l’échelle de la production, avec des applications incluant le traitement chimique, la réduction de la taille des particules, l’extraction, la dispersion et l’homogénéisation.
C’est important, car de nombreux résultats sonochimiques ou supramoléculaires prometteurs ne parviennent pas à dépasser le stade du laboratoire lorsque le procédé ne peut pas être reproduit à plus grande échelle. L’approche de Hielscher en matière de développement de procédés ultrasonores repose sur des paramètres contrôlables et des configurations d’équipement évolutives. Une fois qu’une fenêtre de procédé ultrasonore efficace a été identifiée, le procédé peut être transféré vers des systèmes à ultrasons plus grands en maintenant l’apport d’énergie et les conditions de traitement pertinents.
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.

Sonication en ligne pour le traitement chimique en continu

La sonication en batch est utile pour le criblage en laboratoire et l’optimisation à petit volume. Cependant, la production chimique exige souvent un fonctionnement en continu, une reproductibilité et des temps de séjour définis. Les systèmes à ultrasons Hielscher permettent la sonication en ligne, où les liquides sont pompés à travers une cellule à circulation ou un réacteur à ultrasons et exposés au champ de cavitation dans des conditions contrôlées.
La sonication en ligne peut fonctionner en mode passage unique ou en mode recirculation, permettant au liquide de traverser une ou plusieurs fois la zone de traitement ultrasonore. Hielscher indique que ses processeurs à ultrasons sont disponibles pour le traitement en batch comme pour le traitement en ligne continu, des unités de laboratoire et de paillasse jusqu’à l’échelle industrielle complète.

Pour la chimie supramoléculaire et le génie chimique, la sonication en ligne offre plusieurs avantages :

• temps de séjour contrôlé dans la zone de cavitation
• reproductibilité améliorée par rapport à une agitation en batch non contrôlée
• meilleure gestion thermique grâce aux cellules à circulation et au refroidissement externe
• traitement en continu pour des volumes plus importants
• intégration plus facile dans les lignes de production chimique existantes
• intensité de traitement évolutive par l’ajustement du débit, de l’amplitude et de la configuration du réacteur

En chimie dépendante de la voie suivie, ces paramètres peuvent être déterminants. Si un système supramoléculaire réagit différemment à une sonication courte et intense qu’à une sonication douce et prolongée, le traitement en ligne fournit le cadre technique permettant de définir et de reproduire cette exposition.

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

La technologie ultrasonore Hielscher est conçue pour la mise à l’échelle, des essais en laboratoire jusqu’au traitement industriel. Pour les grands systèmes, des paramètres de procédé tels que l’amplitude, la pression et la température peuvent être optimisés dans des installations plus petites, puis transférés à des équipements à plus haut débit. Hielscher décrit l’efficacité des procédés ultrasonores comme linéairement extrapolable une fois la configuration optimale des paramètres identifiée.
Cette capacité de mise à l’échelle linéaire est particulièrement importante pour les chimistes et les ingénieurs procédés travaillant avec des systèmes supramoléculaires sensibles. Les matériaux auto-assemblés dépendent souvent de fenêtres de procédé étroites. Une modification de l’intensité de mélange, du temps de séjour, du profil de température ou de la densité d’énergie peut altérer la morphologie du produit. Les systèmes à ultrasons évolutifs aident à réduire ce risque en préservant des conditions de sonication définies à mesure que le procédé passe des millilitres aux litres et, finalement, aux débits de production.
Hielscher propose également des réacteurs en ligne industriels tels que le MultiSonoReactor pour la sonication en ligne à haut débit. Ces systèmes sont conçus pour des applications incluant l’homogénéisation, le mélange, la dispersion, l’extraction et les réactions sonochimiques.

Pertinence scientifique et industrielle des polymorphes supramoléculaires synthétisés par ultrasons

L’étude sur le polymorphisme supramoléculaire contrôlé par ultrasons est significative, car elle démontre comment les effets des ultrasons en chimie peuvent être utilisés pour accéder à 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 attrayante pour la chimie industrielle : elle peut améliorer les résultats par l’intensification des procédés plutôt que par des étapes de synthèse supplémentaires.
Pour la recherche scientifique, ces résultats contribuent à une compréhension plus approfondie de l’auto-assemblage chiral, du piégeage cinétique, du contrôle thermodynamique et des paysages énergétiques supramoléculaires. Pour l’industrie, les mêmes principes peuvent favoriser un meilleur criblage des polymorphes, un développement plus rapide de matériaux fonctionnels, un meilleur contrôle de la morphologie des agrégats et un traitement plus reproductible des systèmes chimiques avancés.

Concrètement, la sonication peut aider les chimistes et les ingénieurs chimistes à :

• accélérer les transformations d’auto-assemblage
• favoriser des voies d’agrégation autrement inaccessibles
• améliorer la reproductibilité dans les systèmes dépendants de la voie suivie
• réduire la dépendance à de longs temps d’équilibrage
• cribler les états cinétiques et thermodynamiques des produits
• transférer des résultats de laboratoire prometteurs vers des procédés en ligne

Le traitement par ultrasons comme technologie habilitante

Les ultrasons de puissance sont une technologie habilitante pour la chimie supramoléculaire. L’apport contrôlé d’énergie acoustique peut influencer l’organisation moléculaire de systèmes complexes et donner accès à des structures difficiles à obtenir par la seule agitation conventionnelle ou le seul traitement thermique.
Avec le Hielscher UP50H, l’étude citée démontre la valeur d’une sonication de laboratoire précise pour la recherche supramoléculaire fondamentale. Avec les sonicateurs de paillasse et industriels plus grands de Hielscher, la 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 l’auto-assemblage et le contrôle des polymorphes. Pour les ingénieurs chimistes, cela fournit un outil de procédé évolutif permettant de traduire les effets des ultrasons en chimie en stratégies de production fiables.

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

Conception, fabrication et conseil – Qualité Made in Germany

Les ultrasonicateurs Hielscher sont réputés pour leurs standards de qualité et de conception les plus élevés. Leur robustesse et leur facilité d’utilisation permettent une intégration aisée de nos ultrasonicateurs dans les installations industrielles. Les conditions difficiles et les environnements exigeants sont facilement gérés par les ultrasonicateurs Hielscher.

Hielscher Ultrasonics est une entreprise certifiée ISO qui accorde une importance particulière aux ultrasonicateurs haute performance dotés d’une technologie de pointe et d’une grande convivialité. Bien entendu, les ultrasonicateurs Hielscher sont conformes CE et satisfont aux exigences UL, CSA et RoHs.

Bibliographie / Références

• 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.