השימוש באולטרסאונד פותח דרכים חדשות בכימיה העל-מולקולרית

הכימיה העל-מולקולרית מבוססת על אינטראקציות חלשות והפיכות: קשרי מימן, ערימת π–π, כוחות ואן דר ואלס, תופעות סולבופוביות וזיהוי כיראלי. אינטראקציות אלו מאפשרות למולקולות להתארגן באופן עצמאי למבנים גדולים יותר, כגון סיבים, מוטות, ג'לים, אגרגטים ופולימרים על-מולקולריים. עבור כימאים ומהנדסי כימיה, האתגר אינו רק ביצירת מבנים כאלה, אלא בשליטה על איזה מבנה נוצר, באיזו מהירות הוא נוצר והאם הוא נשאר כלוא קינטית או מגיע למצב היציב ביותר מבחינה תרמודינמית.

השפעות אולטראסוניות בכימיה: טיפול באולטראסאונד מווסת את ההרכבה העצמית העל-מולקולרית

מחקר מדעי שערך Wehner et al. (2020) ופורסם בכתב העת Nature Communications מראה כי ניתן להשתמש באולטרסאונד כגירוי חיצוני עוצמתי לשליטה על מסלולי ההרכבה העצמית בכימיה-על-מולקולרית. החוקרים חקרו תערובת רצימית של מולקולות פרלין ביסימיד כיראליות והראו כי טיפול באולטרסאונד יכול להנחות את היווצרותם של פולימורפים על-מולקולריים מובחנים. בהתאם לתנאי האולטרסאונד, המערכת יצרה מבנים שונים שהורכבו באופן עצמאי, כולל קונגלומרטים מבוקרים קינטית ופולימר על-מולקולרי רצימי יציב תרמודינמית. במחקר נעשה שימוש מפורש במעבד אולטראסוני Hielscher UP50H לצורך הטיפול האולטראסוני, אשר הופעל בתדר של 30 kHz, בהספק של 50 W ובמשרעת של 100%.
תוצאה זו רלוונטית ביותר לכימיה המודרנית של חומרים, שכן היא מראה כי אולטרסאונד אינו רק כלי לערבוב או לפיזור. בתנאים מוגדרים היטב, טיפול באולטרסאונד יכול לשמש כפרמטר תהליכי לשליטה במסלולים מולקולריים.

מדוע לתופעות האולטראסוניות יש חשיבות בכימיה

השפעות הקול האולטראסוני בכימיה נגרמות בעיקר על ידי קוויטציה אקוסטית. כאשר מוחדר קול אולטראסוני בעוצמה גבוהה לנוזל, מחזורי לחץ מתחלפים יוצרים בועות קוויטציה מיקרוסקופיות. צמיחתן והתמוטטותן יוצרות תנאים מקומיים בעלי אנרגיה גבוהה, זרימה מיקרוסקופית עזה, שיפועי גזירה חזקים והעברת מסה יעילה. בתהליכים כימיים ותהליכי חומרים, השפעות אלו יכולות להשפיע על גרעינות, צבירה, היווצרות חלקיקים, פיזור, התגבשות והרכבה עצמית.
בכימיה העל-מולקולרית, יש לכך ערך רב במיוחד, שכן מערכות רבות תלויות במסלול התהליכים. אותה מולקולה עשויה להתארגן לפולימורפים שונים, בהתאם לסדר ולעוצמת אספקת האנרגיה, לטמפרטורה, לריכוז, להרכב הממס ולזמן. טיפול באולטרסאונד מספק דרך ניתנת לשליטה להחדרת אנרגיה מכנית למערכת, מבלי לשנות את המבנה המולקולרי של אבני הבניין.
עבור מהנדסי כימיה, זהו יתרון מכריע: ניתן להגדיר פרמטרים לאולטרסאונד. ניתן לכוונן, לפקח ולהעביר את העוצמה, ההספק, גיאומטריית הסונוטרוד והריאקטור, הטמפרטורה, זמן השהייה, הלחץ וקצב הזרימה ממבחני היתכנות לנפחי עיבוד גדולים יותר.

שימוש באולטרסאונד ככלי לשליטה בהרכבה עצמית

המחקר בחן את תהליך ההרכבה העצמית של תערובת רצימית של שתי מולקולות אננטיומריות של פרלין ביסימיד. בהיעדר הגירוי החיצוני המתאים, מערכות מסוג זה עלולות לעבור מסלול צבירה מועדף או להילכד במצבים מטסטביליים. באמצעות שימוש באולטרסאונד מבוקר, הצליחו החוקרים להשיג תוצאות סופראמולקולריות שונות.
הממצא המרכזי הוא פשוט אך משמעותי: הטיפול באולטרסאונד שינה את מסלול ההרכבה העצמית. בטמפרטורות וריכוזים ספציפיים, אולטרסאונד עוצמתי קידם מעבר ממצב צבירה אחד לאחר. בתנאי סוניקציה קינטית, המערכת יצרה קונגלומרט על-מולקולרי. בתנאי סוניקציה תרמודינמית, היא יצרה פולימר על-מולקולרי רצימי בעל מורפולוגיה שונה ויציבות גבוהה יותר.
ההשפעה המדעית טמונה ביכולת להשפיע על השאלה האם תופעת הצטברות הומו-כיראלית או הטרו-כיראלית היא הדומיננטית. ההשפעה התעשייתית טמונה במושג הרחב יותר: שימוש באולטרסאונד יכול לסייע בכוונון הארגון המולקולרי, ולא רק להאיץ את תהליך העיבוד.

זה רלוונטי ל:

• פולימרים על-מולקולריים וחומרים אורגניים פונקציונליים
• מחקר בנושא צבירת צורות כיראליות והפרדת תערובות רצימטיות
• התגבשות ובדיקת פולימורפים
• היווצרות ננו-סיבים, ננו-מוטות ותצורות של צבעים
• פיתוח נוסחאות ועיבוד חומרים מתקדמים
• הרחבת תהליכים כימיים המבוצעים בסיוע אולטרסאונד

תפקידם של מכשירי הסוניקציה של Hielscher בכימיה העל-מולקולרית

לצורך העבודה הניסיונית, בוצע הטיפול האולטראסוני באמצעות מכשיר ה-Hielscher UP50H, מעבד אולטראסוני קומפקטי למעבדה. ה-UP50H הוא מכשיר אולטראסוני מסוג בדיקה בהספק של 50 וואט ובתדר של 30 קילוהרץ, המיועד לדגימות מעבדה קטנות ומשמש במעבדות כימיות, ביולוגיות, רפואיות ואנליטיות. חברת Hielscher מתארת את ה-UP50H כמתאים להפעלה ידנית או על מעמד, ולמשימות כגון פיזור, המסה, יצירת תחליב והומוגניזציה של נפחי דגימה קטנים.
במחקר זה, מכשיר ה-UP50H סיפק את האנרגיה האולטראסונית הנדרשת כדי לעורר ולהנחות את תהליך השינוי של האגרגטים העל-מולקולריים. דבר זה מדגים נקודה מעשית חשובה עבור כימאים: שימוש באולטראסאונד במעבדה בנפח קטן יכול לחשוף "חלונות תהליך" שקשה לזהות באמצעות ערבוב, חימום או התיישנות פסיבית בלבד.
בתחום הכימיה העל-מולקולרית, ניתן אפוא להשתמש במכשירי סוניקציה מסוג "פרובה", כגון ה-UP50H, לא רק להכנת דגימות, אלא גם כמשתנה ניסויי פעיל. באמצעות שינוי טמפרטורת הסוניקציה ומשך הזמן, יכולים החוקרים לחקור מצבים קינטיים ותרמודינמיים, לסנן מסלולי אגרגציה ולזהות פולימורפים מטא-יציבים או יציבים.
 

מחקרים ספקטרוסקופיים של התערובת הרצמית של (R,R)- ו-(S,S)-PBI. א. מבנים כימיים של (R,R)- ו-(S,S)-PBI ותיאור סכמטי של הפולימריזציה העל-מולקולרית המושרית על ידי אולטרסאונד של התערובת הרצמית של (R,R)- ו (S,S)-PBI לקונגלומרטים Con-Agg 1 ו-Con-Agg 2 ולפולימר-על רצימי Rac-Agg 4.
מחקר ותרשים: ©Wehner et al., 2020

מהתגלית במעבדה ועד לעיבוד קולי הניתן להרחבה

יתרון מרכזי של מכשירי האולטראסוניקה של Hielscher הוא הזמינות של ציוד אולטראסוניקה לאורך כל שרשרת הפיתוח: ממכשירים קומפקטיים למעבדה ועד למערכות שולחניות ומעבדי אולטראסוניקה תעשייתיים. Hielscher מציעה מכשירי אולטראסוניקה וחיישנים לעיבוד נוזלים, החל מקנה מידה מעבדתי ועד קנה מידה תעשייתי, עם יישומים הכוללים עיבוד כימי, הפחתת גודל חלקיקים, מיצוי, פיזור והומוגניזציה.
לכך יש חשיבות מכיוון שממצאים מבטיחים רבים בתחום הסונוכימיה או התחום העל-מולקולרי אינם מצליחים לצאת מגבולות המעבדה כאשר לא ניתן לשחזר את התהליך בקנה מידה גדול יותר. הגישה של Hielscher לפיתוח תהליכים אולטראסוניים מבוססת על פרמטרים הניתנים לשליטה ותצורות ציוד הניתנות להרחבה. ברגע שזוהה חלון תהליכים אולטראסוני יעיל, ניתן להעביר את התהליך למערכות אולטראסוניות גדולות יותר על ידי שמירה על קלט האנרגיה ותנאי העיבוד הרלוונטיים.
עבור משתמשים תעשייתיים, משמעות הדבר היא שניתן לראות בשימוש באולטרסאונד לא רק שיטת מחקר, אלא גם טכנולוגיית תהליך.

עיבוד קולי תוך-תהליכי לעיבוד כימי רציף

שימוש באולטרסאונד אצווה שימושי לצורך סינון מעבדתי ואופטימיזציה בנפחים קטנים. עם זאת, ייצור כימי דורש לעתים קרובות פעולה רציפה, יכולת שחזור וזמני שהייה מוגדרים. מערכות האולטרסאונד של Hielscher תומכות באולטרסאונד מובנה בתהליך, שבו נוזלים נשאבים דרך תא זרימה או כור אולטרסאונד ונחשפים לשדה הקוויטציה בתנאים מבוקרים.
עיבוד קולי מקוון יכול להתבצע במצב מעבר חד-פעמי או במצב מחזור, מה שמאפשר לנוזל לעבור פעם אחת או מספר פעמים דרך אזור הטיפול הקולי. חברת Hielscher מציינת כי מעבדי הקול שלה זמינים הן לעיבוד אצווה והן לעיבוד מקוון רציף, החל מיחידות מעבדה ושולחניות ועד לקנה מידה תעשייתי מלא.

בתחום הכימיה העל-מולקולרית וההנדסה הכימית, שימוש באולטרסאונד מובנה מציע מספר יתרונות:

• זמן שהייה מבוקר באזור הקוויטציה
• שחזור תוצאות משופר בהשוואה לערבוב אצווה ללא בקרה
• ניהול חום משופר באמצעות תאי זרימה וקירור חיצוני
• עיבוד רציף לכמויות גדולות יותר
• שילוב קל יותר בקווי ייצור כימיים קיימים
• עוצמת טיפול הניתנת להתאמה באמצעות שינוי קצב הזרימה, המשרעת ותצורת הכור

בכימיה התלויה במסלול, פרמטרים אלה עשויים להיות קריטיים. אם מערכת על-מולקולרית מגיבה באופן שונה לטיפול קולי קצר ועוצמתי מאשר לטיפול קולי ממושך ומתון, עיבוד מקוון מספק את המסגרת ההנדסית להגדרת החשיפה הזו ולשחזור שלה.

הרחבה ליניארית: מהסינון הסונוכימי ועד הייצור

טכנולוגיית האולטראסאונד של Hielscher נועדה להרחבה מקנה מידה של בדיקות מעבדה לעיבוד תעשייתי. במערכות גדולות, ניתן לייעל פרמטרים תהליכיים כגון משרעת, לחץ וטמפרטורה במערכות קטנות יותר, ולאחר מכן להעביר אותם לציוד בעל תפוקה גבוהה יותר. Hielscher מתארת את יעילות התהליך האולטראסוני כבעלת יכולת הרחבה ליניארית לאחר שזוהתה תצורת הפרמטרים האופטימלית.
יכולת ההרחבה הליניארית הזו חשובה במיוחד לכימאים ומהנדסי תהליכים העובדים עם מערכות-על-מולקולריות רגישות. חומרים המורכבים מעצמם תלויים לעתים קרובות בטווחי תהליך צרים. שינוי בעוצמת הערבוב, זמן השהייה, פרופיל הטמפרטורה או צפיפות האנרגיה עלול לשנות את המורפולוגיה של המוצר. מערכות אולטראסוניות הניתנות להרחבה מסייעות להפחית סיכון זה על ידי שמירה על תנאי סוניקציה מוגדרים, כאשר התהליך עובר ממיליליטרים לליטרים, ובסופו של דבר לקצבי זרימה בקנה מידה תעשייתי.
חברת Hielscher מציעה גם כורים תעשייתיים מובנים, כגון ה-MultiSonoReactor, המיועדים לעיבוד קולי מובנה בתפוקה גבוהה. מערכות אלו מיועדות ליישומים כגון הומוגניזציה, ערבוב, פיזור, מיצוי ותגובות סונוכימיות.

הרלוונטיות המדעית והתעשייתית של פולימורפים על-מולקולריים שנוצרו באמצעות אולטרסאונד

המחקר בנושא פולימורפיזם על-מולקולרי הנשלט באמצעות אולטרסאונד הוא משמעותי, שכן הוא מדגים כיצד ניתן להשתמש בהשפעות אולטרסאונד בכימיה כדי להשיג מצבי חומר שונים מאותה מערכת מולקולרית. במקום לשנות את המולקולה, החוקרים שינו את תנאי התהליך. זהו בדיוק המקום שבו השימוש באולטרסאונד הופך לאטרקטיבי עבור הכימיה התעשייתית: הוא יכול לשפר את התוצאות באמצעות העצמת התהליך, במקום באמצעות שלבים סינתטיים נוספים.
מבחינה מדעית, הממצאים תורמים להבנה מעמיקה יותר של הרכבה עצמית כיראלית, לכידה קינטית, בקרה תרמודינמית ונופי אנרגיה על-מולקולריים. מבחינה תעשייתית, אותם עקרונות עשויים לתמוך בסינון משופר של פולימורפים, בפיתוח מהיר יותר של חומרים פונקציונליים, בשליטה טובה יותר במורפולוגיה של האגרגטים ובעיבוד בעל יכולת שחזור גבוהה יותר של מערכות כימיות מתקדמות.

מבחינה מעשית, השימוש באולטרסאונד עשוי לסייע לכימאים ומהנדסי כימיה:

• להאיץ תהליכי הרכבה עצמית
• לקדם מסלולי צבירה שלא ניתן היה להגיע אליהם בדרך אחרת
• לשפר את יכולת השחזור במערכות התלויות במסלולים
• לצמצם את התלות בזמני איזון ממושכים
• להציג מצבי מוצר קינטיים ותרמודינמיים
• להטמיע תוצאות מעבדה מבטיחות בתהליכי ייצור שוטפים

עיבוד אולטראסוני כטכנולוגיה מאפשרת

אולטרסאונד עוצמתי הוא טכנולוגיה המאפשרת את קיומה של הכימיה העל-מולקולרית. הזרמה מבוקרת של אנרגיה אקוסטית יכולה להשפיע על הארגון המולקולרי של מערכות מורכבות ולאפשר גישה למבנים שקשה להשיג באמצעות ערבוב קונבנציונלי או טיפול תרמי בלבד.
באמצעות מכשיר ה-UP50H של Hielscher, המחקר המוזכר מדגים את הערך של טיפול קולי מדויק במעבדה למחקר סופרא-מולקולרי בסיסי. באמצעות מכשירי הטיפול הקולי הגדולים יותר של Hielscher, הן למכשירים שולחניים והן לתעשייתיים, ניתן להרחיב את אותה פלטפורמה טכנולוגית לכיוון ייעול תהליכים, טיפול תוך-תהליכי והגדלה ליניארית של היקף הייצור.
עבור כימאים, הדבר פותח דרכים ניסיוניות חדשות בתחום ההרכבה העצמית ובקרת הפולימורפים. עבור מהנדסי כימיה, הוא מספק כלי תהליכי הניתן להרחבה, המאפשר לתרגם את השפעות האולטראסאונד בכימיה לאסטרטגיות ייצור אמינות.

הטבלה הבאה נותנת לך אינדיקציה ליכולת העיבוד המשוערת של האולטרסאונד שלנו:

תכנון, ייצור וייעוץ – איכות תוצרת גרמניה

Hielscher ultrasonicators ידועים באיכות הגבוהה ביותר שלהם סטנדרטים עיצוב. חוסן ותפעול קל מאפשרים שילוב חלק של האולטרסאונד שלנו במתקנים תעשייתיים. תנאים קשים וסביבות תובעניות מטופלים בקלות על ידי אולטרסוניקטורים Hielscher.

Hielscher Ultrasonics היא חברה מוסמכת ISO לשים דגש מיוחד על ultrasonicators ביצועים גבוהים שמציעות טכנולוגיה חדישה וידידותיות למשתמש. כמובן, Hielscher ultrasonicators הם תואמי CE ולעמוד בדרישות של UL, CSA ו RoHs.

ספרות / מקורות