סוניקציה פותחת מסלולים חדשים בכימיה על־מולקולרית

כימיה על־מולקולרית תלויה באינטראקציות חלשות והפיכות: קשרי מימן, ערימת π–π, כוחות ואן דר ואלס, אפקטים סולבופוביים וזיהוי כיראלי. אינטראקציות אלה מאפשרות למולקולות להתארגן באופן עצמאי במבנים גדולים יותר, כגון סיבים, מוטות, ג'לים, אגרגטים ופולימרים על־מולקולריים. עבור כימאים ומהנדסי כימיה, האתגר אינו רק ליצור מבנים כאלה, אלא גם לשלוט בסוג המבנה שנוצר, במהירות היווצרותו ובשאלה אם הוא נותר לכוד מבחינה קינטית או מגיע למצב היציב ביותר מבחינה תרמודינמית.

השפעות אולטרסוניות בכימיה: סוניקציה שולטת בהרכבה עצמית על־מולקולרית

מחקר מדעי של Wehner ועמיתיו (2020), שפורסם בכתב העת Nature Communications, מדגים כי ניתן להשתמש בסוניקציה כגירוי חיצוני רב־עוצמה לשליטה במסלולי הרכבה עצמית בכימיה על־מולקולרית. החוקרים בחנו תערובת רצמית של מולקולות פרילן ביסאימיד כיראליות והראו כי סוניקציה יכולה לכוון את היווצרותם של פולימורפים על־מולקולריים נבדלים. בהתאם לתנאי הסוניקציה, המערכת יצרה מבנים שונים באמצעות הרכבה עצמית, ובהם קונגלומרטים הנוצרים בבקרה קינטית ופולימר על־מולקולרי רצמי יציב מבחינה תרמודינמית. במחקר צוין במפורש כי לצורך הסוניקציה נעשה שימוש במעבד האולטרסוני Hielscher UP50H, שהופעל בתדר של 30 kHz, בהספק של 50 W ובמשרעת של 100%.
תוצאה זו רלוונטית מאוד לכימיית חומרים מודרנית, משום שהיא מראה שאולטרסאונד אינו רק כלי לערבוב או לפיזור. בתנאים מוגדרים היטב, סוניקציה יכולה לשמש כפרמטר תהליך לשליטה במסלולים מולקולריים.

מדוע השפעות אולטרסוניות חשובות בכימיה

השפעות אולטרסוניות בכימיה נגרמות בעיקר מקוויטציה אקוסטית. כאשר מחדירים אולטרסאונד בעוצמה גבוהה לנוזל, מחזורי לחץ מתחלפים יוצרים בועות קוויטציה מיקרוסקופיות. גדילתן וקריסתן יוצרות תנאים מקומיים עתירי אנרגיה, זרימות מיקרוסקופיות עזות, מפלי גזירה חזקים ומעבר מסה יעיל. בתהליכים כימיים ובתהליכי עיבוד חומרים, השפעות אלה יכולות להשפיע על התגרענות, אגרגציה, היווצרות חלקיקים, פיזור, התגבשות והרכבה עצמית.
בכימיה על־מולקולרית יש לכך ערך מיוחד, משום שמערכות רבות תלויות במסלול התהליך. אותה מולקולה עשויה לעבור הרכבה עצמית לפולימורפים שונים, בהתאם לסדר ולעוצמה של הזנת האנרגיה, לטמפרטורה, לריכוז, להרכב הממס ולזמן. סוניקציה מספקת דרך מבוקרת להזנת אנרגיה מכנית למערכת מבלי לשנות את המבנה המולקולרי של אבן הבניין.
עבור מהנדסי כימיה, זהו יתרון מכריע: ניתן להגדיר את האולטרסאונד באמצעות פרמטרים. ניתן לכוונן ולנטר את המשרעת, ההספק, גאומטריית הסונוטרודה והריאקטור, הטמפרטורה, זמן השהייה, הלחץ וספיקת הזרימה, ולהעביר את הפרמטרים הללו מבדיקות היתכנות לעיבוד בנפחים גדולים יותר.

סוניקציה ככלי לשליטה בהרכבה עצמית

המחקר בחן את ההרכבה העצמית של תערובת רצמית של שתי מולקולות פרילן ביסאימיד אננטיומריות. בהיעדר הגירוי החיצוני המתאים, מערכות כאלה עשויות להתקדם במסלול אגרגציה מועדף או להילכד במצבים מטא־יציבים. באמצעות הפעלת סוניקציה מבוקרת, הצליחו החוקרים להגיע לתוצרים על־מולקולריים שונים.
הממצא המרכזי פשוט אך רב־משמעות: הסוניקציה שינתה את מסלול ההרכבה העצמית. בטמפרטורות ובריכוזים מסוימים, אולטרסאונד בעוצמה גבוהה קידם מעבר ממצב אגרגציה אחד לאחר. בתנאי סוניקציה של בקרה קינטית, המערכת יצרה קונגלומרט על־מולקולרי. בתנאי סוניקציה של בקרה תרמודינמית, היא יצרה פולימר על־מולקולרי רצמי בעל מורפולוגיה שונה ויציבות גבוהה יותר.
המשמעות המדעית טמונה ביכולת להשפיע על השאלה אם האגרגציה השלטת תהיה הומוכיראלית או הטרוכיראלית. המשמעות התעשייתית טמונה ברעיון הרחב יותר: סוניקציה יכולה לסייע בהכוונת הארגון המולקולרי, ולא רק בהאצת העיבוד.

הדבר רלוונטי לתחומים הבאים:

• פולימרים על־מולקולריים וחומרים אורגניים פונקציונליים
• מחקר של אגרגציה כיראלית והפרדת תערובות רצמיות לאננטיומרים
• גיבוש וסריקת פולימורפים
• יצירת ננו־סיבים, ננו־מוטות ואגרגטים של חומרי צבע
• פיתוח פורמולציות ועיבוד חומרים מתקדמים
• הגדלת קנה המידה של תהליכים כימיים בסיוע אולטרסאונד

תפקידם של מכשירי הסוניקציה של Hielscher בכימיה על־מולקולרית

בעבודה הניסויית בוצעה סוניקציה באמצעות Hielscher UP50H, מעבד אולטרסוני מעבדתי קומפקטי. ה־UP50H הוא מכשיר סוניקציה מסוג גשוש בהספק 50 W ובתדר 30 kHz, המיועד לדגימות מעבדה קטנות ומשמש במעבדות כימיות, ביולוגיות, רפואיות ואנליטיות. Hielscher מתארת את ה־UP50H כמתאים להפעלה באחיזה ביד או כשהוא מותקן על מעמד, ולמשימות כגון פיזור, המסה, יצירת תחליבים והומוגניזציה של נפחי דגימה קטנים.
במחקר זה, ה־UP50H סיפק את האנרגיה האולטרסונית הנדרשת כדי לעורר ולהכווין את השינוי באגרגטים העל־מולקולריים. הדבר ממחיש נקודה מעשית חשובה לכימאים: סוניקציה מעבדתית בנפחים קטנים יכולה לחשוף חלונות תנאי תהליך שקשה לזהות באמצעות ערבוב, חימום או יישון פסיבי בלבד.
לכן, בכימיה על־מולקולרית ניתן להשתמש במכשירי סוניקציה מסוג גשוש כגון UP50H לא רק להכנת דגימות, אלא גם כמשתנה ניסויי פעיל. באמצעות שינוי הטמפרטורה ומשך הסוניקציה, חוקרים יכולים לחקור משטרים קינטיים ותרמודינמיים, לסרוק מסלולי אגרגציה ולזהות פולימורפים מטא־יציבים או יציבים.
 

מחקרים ספקטרוסקופיים של התערובת הרצמית של (R,R)-PBI ושל (S,S)-PBI. a מבנים כימיים של (R,R)-PBI ושל (S,S)-PBI ותיאור סכמטי של הפילמור העל־מולקולרי המושרה באמצעות אולטרסאונד של התערובת הרצמית של (R,R)-PBI ושל (S,S)-PBI לקונגלומרטים Con-Agg 1 ו־Con-Agg 2 ולפולימר העל־מולקולרי הרצמי Rac-Agg 4.
מחקר ותרשים: ©Wehner et al., 2020

מתגלית מעבדתית לעיבוד אולטרסוני הניתן להגדלה בקנה מידה

יתרון מרכזי של מכשירי הסוניקציה של Hielscher הוא זמינותו של ציוד אולטרסוני לאורך כל שרשרת הפיתוח: ממכשירים מעבדתיים קומפקטיים ועד מערכות שולחניות ומעבדים אולטרסוניים תעשייתיים. Hielscher מציעה מכשירי אולטרסאונד וגשושים לעיבוד נוזלים מקנה מידה מעבדתי ועד קנה מידה של ייצור, ליישומים הכוללים עיבוד כימי, הקטנת גודל חלקיקים, מיצוי, פיזור והומוגניזציה.
לכך יש חשיבות משום שממצאים סונוכימיים או סופראמולקולריים מבטיחים רבים אינם מיושמים מעבר למעבדה כאשר אי אפשר לשחזר את התהליך בקנה מידה גדול יותר. הגישה של Hielscher לפיתוח תהליכים אולטרסוניים מבוססת על פרמטרים הניתנים לבקרה ועל תצורות ציוד המאפשרות הגדלת קנה מידה. לאחר שזוהה חלון תנאים יעיל לתהליך האולטרסוני, ניתן להעביר את התהליך למערכות אולטרסוניות גדולות יותר תוך שמירה על תשומת האנרגיה ותנאי העיבוד הרלוונטיים.
עבור משתמשים תעשייתיים, פירוש הדבר הוא שניתן לראות בסוניקציה לא רק שיטת מחקר אלא גם טכנולוגיית תהליך.

סוניקציה בקו התהליך לעיבוד כימי רציף

סוניקציה באצוות שימושית לסריקה מעבדתית ולאופטימיזציה בנפחים קטנים. עם זאת, ייצור כימי דורש לעיתים קרובות פעולה רציפה, הדירות וזמני שהייה מוגדרים. המערכות האולטרסוניות של Hielscher תומכות בסוניקציה בקו התהליך, שבה נוזלים נשאבים דרך תא זרימה אולטרסוני או כור אולטרסוני ונחשפים לשדה הקוויטציה בתנאים מבוקרים.
ניתן לבצע סוניקציה בקו התהליך במצב של מעבר יחיד או במצב של סחרור חוזר, המאפשר לנוזל לעבור פעם אחת או פעמים רבות דרך אזור הטיפול האולטרסוני. Hielscher מציינת שהמעבדים האולטרסוניים שלה זמינים הן לעיבוד באצוות והן לעיבוד רציף בקו התהליך, מיחידות מעבדתיות ושולחניות ועד קנה מידה תעשייתי מלא.

עבור כימיה סופראמולקולרית והנדסה כימית, סוניקציה בקו התהליך מציעה כמה יתרונות:

• זמן שהייה מבוקר באזור הקוויטציה
• הדירות משופרת בהשוואה לערבול בלתי מבוקר באצוות
• ניהול חום טוב יותר באמצעות תאי זרימה וקירור חיצוני
• עיבוד רציף לנפחים גדולים יותר
• שילוב קל יותר בקווי ייצור כימיים קיימים
• עוצמת טיפול הניתנת להתאמה עם הגדלת קנה המידה באמצעות כוונון ספיקת הזרימה, המשרעת ותצורת הכור

בכימיה התלויה במסלול התהליך, פרמטרים אלה עשויים להיות קריטיים. אם מערכת סופראמולקולרית מגיבה לסוניקציה קצרה ועוצמתית באופן שונה מאשר לסוניקציה מתונה וממושכת, עיבוד בקו התהליך מספק את המסגרת ההנדסית להגדרה ולשחזור של חשיפה זו.

הגדלה ליניארית של קנה המידה: מסריקה סונוכימית לייצור

הטכנולוגיה האולטרסונית של Hielscher מיועדת להגדלת קנה המידה מבדיקות מעבדתיות לעיבוד תעשייתי. עבור מערכות גדולות, ניתן לבצע אופטימיזציה של פרמטרי תהליך כגון משרעת, לחץ וטמפרטורה במערכים קטנים יותר, ולאחר מכן להעבירם לציוד בעל תפוקה גבוהה יותר. Hielscher מתארת את יעילות התהליך האולטרסוני כניתנת להגדלה ליניארית עם הגדלת קנה המידה, לאחר שזוהתה תצורת הפרמטרים המיטבית.
יכולת זו להגדיל את קנה המידה באופן ליניארי חשובה במיוחד לכימאים ולמהנדסי תהליך העובדים עם מערכות סופראמולקולריות רגישות. חומרים הנוצרים בהרכבה עצמית תלויים לעיתים קרובות בחלונות תנאי תהליך צרים. שינוי בעוצמת הערבוב, בזמן השהייה, בפרופיל הטמפרטורה או בצפיפות האנרגיה יכול לשנות את מורפולוגיית התוצר. מערכות אולטרסוניות המאפשרות הגדלת קנה מידה מסייעות להפחית סיכון זה באמצעות שמירה על תנאי סוניקציה מוגדרים כאשר התהליך עובר ממיליליטרים לליטרים ובסופו של דבר לספיקות זרימה בקנה מידה של ייצור.
Hielscher מציעה גם כורים תעשייתיים בקו התהליך, כגון MultiSonoReactor, לסוניקציה בתפוקה גבוהה בקו התהליך. מערכות אלה מיועדות ליישומים הכוללים הומוגניזציה, ערבוב, פיזור, מיצוי ותגובות סונוכימיות.

הרלוונטיות המדעית והתעשייתית של פולימורפים סופראמולקולריים המסונתזים באמצעות אולטרסאונד

המחקר על פולימורפיזם סופראמולקולרי הנשלט באמצעות אולטרסאונד חשוב משום שהוא מדגים כיצד אפשר להשתמש בהשפעות אולטרסוניות בכימיה כדי להגיע למצבי חומר שונים מתוך אותה מערכת מולקולרית. במקום לשנות את המולקולה, החוקרים שינו את תנאי התהליך. זו בדיוק הנקודה שבה סוניקציה נעשית אטרקטיבית לכימיה תעשייתית: היא יכולה לשפר את התוצאות באמצעות העצמת התהליך במקום באמצעות שלבי סינתזה נוספים.
במחקר המדעי, הממצאים תורמים להבנה מעמיקה יותר של הרכבה עצמית כיראלית, לכידה קינטית, בקרה תרמודינמית ונופי אנרגיה סופראמולקולריים. בתעשייה, אותם עקרונות עשויים לתמוך בסריקה משופרת של פולימורפים, בפיתוח מהיר יותר של חומרים פונקציונליים, בבקרה טובה יותר על מורפולוגיית האגרגטים ובעיבוד בעל הדירות גבוהה יותר של מערכות כימיות מתקדמות.

מבחינה מעשית, סוניקציה עשויה לסייע לכימאים ולמהנדסי כימיה:

• להאיץ מעברים בהרכבה עצמית
• לקדם מסלולי אגרגציה שאינם נגישים בדרכים אחרות
• לשפר את ההדירות במערכות תלויות מסלול
• להפחית את ההסתמכות על זמני הגעה ארוכים לשיווי משקל
• לבצע סריקה של מצבי תוצר קינטיים ותרמודינמיים
• להעביר תוצאות מעבדה מבטיחות לתהליכים בקו

עיבוד אולטרסוני כטכנולוגיה מאפשרת

אולטרסאונד בעוצמה גבוהה הוא טכנולוגיה מאפשרת לכימיה סופראמולקולרית. החדרה מבוקרת של אנרגיה אקוסטית יכולה להשפיע על הארגון המולקולרי של מערכות מורכבות ולאפשר גישה למבנים שקשה להשיג באמצעות ערבול רגיל או טיפול תרמי בלבד.
באמצעות Hielscher UP50H, המחקר המצוטט מדגים את ערכה של סוניקציה מעבדתית מדויקת למחקר סופראמולקולרי בסיסי. באמצעות מכשירי הסוניקציה השולחניים והתעשייתיים הגדולים יותר של Hielscher, אפשר להרחיב את השימוש באותה פלטפורמה טכנולוגית לאופטימיזציה של תהליכים, לטיפול בקו ולהגדלה ליניארית של קנה המידה.
לכימאים, הדבר פותח מסלולים ניסיוניים חדשים בהרכבה עצמית ובבקרה על פולימורפים. למהנדסי כימיה, הוא מספק כלי תהליכי שניתן להגדיל את קנה המידה שלו כדי לתרגם השפעות אולטרסוניות בכימיה לאסטרטגיות ייצור אמינות.

הטבלה שלהלן נותנת מושג על כושר העיבוד המשוער של מכשירי האולטרסאונד שלנו:

תכנון, ייצור וייעוץ – איכות תוצרת גרמניה

מכשירי האולטרסאונד של Hielscher מוכרים בזכות תקני האיכות והתכנון הגבוהים ביותר שלהם. עמידות ותפעול קל מאפשרים שילוב חלק של מכשירי האולטרסאונד שלנו במתקנים תעשייתיים. מכשירי האולטרסאונד של Hielscher מתמודדים בקלות עם תנאים קשים וסביבות תובעניות.

Hielscher Ultrasonics היא חברה בעלת הסמכת ISO, והיא שמה דגש מיוחד על מכשירי אולטרסאונד בעלי ביצועים גבוהים, המשלבים טכנולוגיה מהמתקדמות ביותר וידידותיות למשתמש. כמובן, מכשירי האולטרסאונד של Hielscher תואמים לדרישות CE ועומדים בדרישות UL, CSA ו-RoHs.

ספרות / מקורות

• 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.