सोनिकेशन अधिआणविक रसायन विज्ञान में नए मार्ग खोलता है

अधिआणविक रसायन विज्ञान दुर्बल, उत्क्रमणीय अंतःक्रियाओं पर निर्भर करता है: हाइड्रोजन बंधन, π–π स्टैकिंग, वान डर वाल्स बल, विलायकविमुख प्रभाव और काइरल पहचान। ये अंतःक्रियाएँ अणुओं को तंतुओं, छड़ों, जेलों, समुच्चयों और अधिआणविक बहुलकों जैसी बड़ी संरचनाओं में स्वतः व्यवस्थित होने देती हैं। रसायनज्ञों और रासायनिक अभियंताओं के लिए चुनौती केवल ऐसी संरचनाएँ बनाना ही नहीं, बल्कि यह नियंत्रित करना भी है कि कौन-सी संरचना बनती है, वह कितनी तेजी से बनती है और क्या वह गतिकीय रूप से फँसी रहती है या ऊष्मागतिक रूप से सर्वाधिक स्थिर अवस्था तक पहुँचती है।

रसायन विज्ञान में अल्ट्रासोनिक प्रभाव: सोनिकेशन अधिआणविक स्व-संयोजन को नियंत्रित करता है

Nature Communications में प्रकाशित Wehner et al. (2020) का एक वैज्ञानिक अध्ययन दर्शाता है कि अधिआणविक रसायन विज्ञान में स्व-संयोजन के मार्गों को नियंत्रित करने के लिए अल्ट्रासोनिकेशन का उपयोग एक शक्तिशाली बाहरी उद्दीपन के रूप में किया जा सकता है। शोधकर्ताओं ने काइरल पेरिलीन बिसइमाइड अणुओं के एक रैसीमिक मिश्रण की जाँच की और दिखाया कि सोनिकेशन अलग-अलग अधिआणविक बहुरूपों के निर्माण को दिशा दे सकता है। अल्ट्रासोनिक परिस्थितियों के आधार पर, इस तंत्र ने विभिन्न स्व-संयोजित संरचनाएँ उत्पन्न कीं, जिनमें गतिकीय रूप से नियंत्रित कॉन्ग्लोमरेट और एक ऊष्मागतिक रूप से स्थिर रैसीमिक अधिआणविक बहुलक शामिल थे। अध्ययन में अल्ट्रासोनिकेशन के लिए स्पष्ट रूप से Hielscher UP50H अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर का उपयोग किया गया, जिसे 30 kHz, 50 W और 100% आयाम पर संचालित किया गया।
यह परिणाम आधुनिक पदार्थ रसायन विज्ञान के लिए अत्यंत प्रासंगिक है, क्योंकि यह दिखाता है कि अल्ट्रासाउंड केवल मिश्रण या परिक्षेपण का साधन नहीं है। सुव्यवस्थित रूप से परिभाषित परिस्थितियों में, सोनिकेशन आणविक मार्गों के नियंत्रण के लिए एक प्रक्रिया प्राचल के रूप में कार्य कर सकता है।

रसायन विज्ञान में अल्ट्रासोनिक प्रभाव क्यों महत्त्वपूर्ण हैं

रसायन विज्ञान में अल्ट्रासोनिक प्रभाव मुख्यतः ध्वनिक कैविटेशन के कारण उत्पन्न होते हैं। जब किसी द्रव में उच्च-तीव्रता वाला अल्ट्रासाउंड प्रविष्ट कराया जाता है, तो बारी-बारी से बदलते दाब चक्र सूक्ष्म कैविटेशन बुलबुले उत्पन्न करते हैं। उनका बढ़ना और ध्वस्त होना स्थानीय उच्च-ऊर्जा परिस्थितियाँ, तीव्र सूक्ष्म-प्रवाह, प्रबल अपरूपण प्रवणताएँ और कुशल द्रव्यमान स्थानांतरण उत्पन्न करता है। रासायनिक और पदार्थ-संबंधी प्रक्रियाओं में, ये प्रभाव नाभिकन, समुच्चयन, कण निर्माण, परिक्षेपण, क्रिस्टलीकरण और स्व-संयोजन को प्रभावित कर सकते हैं।
अधिआणविक रसायन विज्ञान में यह विशेष रूप से उपयोगी है, क्योंकि कई तंत्र मार्ग-निर्भर होते हैं। ऊर्जा निवेश के क्रम और तीव्रता, तापमान, सांद्रता, विलायक की संरचना और समय के आधार पर एक ही अणु अलग-अलग बहुरूपों में संयोजित हो सकता है। सोनिकेशन संरचनात्मक इकाई की आणविक संरचना को बदले बिना तंत्र में यांत्रिक ऊर्जा प्रविष्ट कराने का एक नियंत्रित किया जा सकने वाला तरीका प्रदान करता है।
रासायनिक अभियंताओं के लिए यह एक निर्णायक लाभ है: अल्ट्रासाउंड के प्राचल निर्धारित किए जा सकते हैं। आयाम, शक्ति, सोनोट्रोड और रिएक्टर की ज्यामिति, तापमान, निवास समय, दाब और प्रवाह दर को समायोजित किया जा सकता है, उनकी निगरानी की जा सकती है और उन्हें व्यवहार्यता परीक्षणों से अधिक आयतन वाले प्रसंस्करण में लागू किया जा सकता है।

स्व-संयोजन के नियंत्रण के साधन के रूप में सोनिकेशन

अध्ययन में दो प्रतिबिंब समावयवी पेरिलीन बिसिमाइड अणुओं के रेसिमिक मिश्रण के स्व-संयोजन की जाँच की गई। उपयुक्त बाहरी उद्दीपन के अभाव में, ऐसी प्रणालियाँ किसी वरीय एकत्रण मार्ग का अनुसरण कर सकती हैं या मितस्थायी अवस्थाओं में फँस सकती हैं। नियंत्रित अल्ट्रासोनिकेशन लागू करके शोधकर्ता विभिन्न सुप्रामॉलिक्युलर परिणाम प्राप्त कर सके।
मुख्य निष्कर्ष सरल लेकिन प्रभावशाली है: सोनिकेशन ने स्व-संयोजन का मार्ग बदल दिया। विशिष्ट तापमानों और सांद्रताओं पर, उच्च-शक्ति अल्ट्रासाउंड ने एक समुच्चय अवस्था से दूसरी में रूपांतरण को बढ़ावा दिया। गतिज सोनिकेशन परिस्थितियों में, प्रणाली ने एक सुप्रामॉलिक्युलर कॉन्ग्लोमरेट बनाया। ऊष्मागतिक सोनिकेशन परिस्थितियों में, इसने भिन्न आकारिकी और अधिक स्थिरता वाला एक रेसिमिक सुप्रामॉलिक्युलर बहुलक बनाया।
इसका वैज्ञानिक महत्त्व इस बात को प्रभावित करने की क्षमता में है कि समकाइरल या विषमकाइरल एकत्रण में से कौन प्रभावी होता है। इसका औद्योगिक महत्त्व व्यापक अवधारणा में है: सोनिकेशन आणविक संगठन को दिशा देने में मदद कर सकता है, केवल प्रसंस्करण को तेज़ करने में ही नहीं।

यह निम्नलिखित के लिए प्रासंगिक है:

• सुप्रामॉलिक्युलर बहुलक और कार्यात्मक कार्बनिक पदार्थ
• काइरल एकत्रण और रेसिमेट पृथक्करण अनुसंधान
• क्रिस्टलीकरण और बहुरूपों की स्क्रीनिंग
• नैनोफाइबर, नैनोछड़ और रंजक समुच्चयों का निर्माण
• फ़ॉर्मूलेशन विकास और उन्नत पदार्थों का प्रसंस्करण
• अल्ट्रासाउंड-सहायित रासायनिक प्रक्रियाओं का पैमाना बढ़ाना

सुप्रामॉलिक्युलर रसायन विज्ञान में Hielscher सोनिकेटरों की भूमिका

प्रायोगिक कार्य के लिए अल्ट्रासोनिकेशन Hielscher UP50H से किया गया, जो एक सुसंहत प्रयोगशाला अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर है। UP50H एक 50 W, 30 kHz प्रोब-प्रकार का सोनिकेटर है, जिसे प्रयोगशाला के छोटे नमूनों के लिए डिज़ाइन किया गया है और जिसका उपयोग रासायनिक, जैविक, चिकित्सा तथा विश्लेषणात्मक प्रयोगशालाओं में किया जाता है। Hielscher के अनुसार, UP50H हाथ में पकड़कर या स्टैंड पर लगाकर संचालन के लिए तथा कम आयतन वाले नमूनों के परिक्षेपण, घुलाने, पायसीकरण और समांगीकरण जैसे कार्यों के लिए उपयुक्त है।
इस अध्ययन में, UP50H ने सुप्रामॉलिक्युलर समुच्चयों के रूपांतरण को आरंभ करने और दिशा देने के लिए आवश्यक अल्ट्रासोनिक ऊर्जा प्रदान की। यह रसायनज्ञों के लिए एक महत्त्वपूर्ण व्यावहारिक बात स्पष्ट करता है: कम आयतन वाले नमूनों का प्रयोगशाला सोनिकेशन उन प्रक्रिया-परिस्थितियों की सीमाओं को उजागर कर सकता है जिन्हें केवल हिलाने, गर्म करने या निष्क्रिय एजिंग से पहचानना अन्यथा कठिन होता है।
इसलिए सुप्रामॉलिक्युलर रसायन विज्ञान में, UP50H जैसे प्रोब-प्रकार के सोनिकेटरों का उपयोग केवल नमूना तैयार करने के लिए ही नहीं, बल्कि एक सक्रिय प्रायोगिक चर के रूप में भी किया जा सकता है। सोनिकेशन का तापमान और अवधि बदलकर, शोधकर्ता गतिज और ऊष्मागतिक स्थितियों की जाँच कर सकते हैं, एकत्रण मार्गों की स्क्रीनिंग कर सकते हैं और मितस्थायी या स्थायी बहुरूपों की पहचान कर सकते हैं।
 

(R,R)- और (S,S)-PBI के रेसिमिक मिश्रण के स्पेक्ट्रोस्कोपिक अध्ययन। a (R,R)- और (S,S)-PBI की रासायनिक संरचनाएँ तथा (R,R)- और (S,S)-PBI के रेसिमिक मिश्रण के अल्ट्रासाउंड-प्रेरित सुप्रामॉलिक्युलर बहुलकीकरण द्वारा कॉन्ग्लोमरेट Con-Agg 1 और Con-Agg 2 तथा रेसिमिक सुप्रामॉलिक्युलर बहुलक Rac-Agg 4 में रूपांतरण का आरेखीय चित्रण।
अध्ययन और आरेख: ©Wehner et al., 2020

प्रयोगशाला की खोज से विस्तार-योग्य अल्ट्रासोनिक प्रसंस्करण तक

Hielscher सोनिकेटरों का एक प्रमुख लाभ पूरी विकास शृंखला में अल्ट्रासोनिक उपकरणों की उपलब्धता है: छोटे प्रयोगशाला उपकरणों से लेकर बेंच-टॉप प्रणालियों और औद्योगिक अल्ट्रासोनिक प्रोसेसरों तक। Hielscher प्रयोगशाला स्तर से उत्पादन स्तर तक तरल प्रसंस्करण के लिए अल्ट्रासोनिकेटर और प्रोब प्रदान करता है, जिनके अनुप्रयोगों में रासायनिक प्रसंस्करण, कण आकार में कमी, निष्कर्षण, परिक्षेपण और समांगीकरण शामिल हैं।
यह इसलिए महत्वपूर्ण है क्योंकि जब किसी प्रक्रिया को बड़े पैमाने पर पुनरुत्पादित नहीं किया जा सकता, तो कई आशाजनक सोनोकेमिकल या सुप्रामॉलिक्यूलर निष्कर्ष प्रयोगशाला से आगे नहीं बढ़ पाते। अल्ट्रासोनिक प्रक्रिया विकास के प्रति Hielscher का दृष्टिकोण नियंत्रणीय मापदंडों और ऐसे उपकरण विन्यासों पर आधारित है जिनका पैमाना बढ़ाया जा सकता है। एक बार प्रभावी अल्ट्रासोनिक प्रक्रिया के लिए परिचालन परिस्थितियों की सीमा की पहचान हो जाने पर, संबंधित ऊर्जा इनपुट और प्रसंस्करण परिस्थितियों को बनाए रखते हुए प्रक्रिया को बड़ी अल्ट्रासोनिक प्रणालियों में स्थानांतरित किया जा सकता है।
औद्योगिक उपयोगकर्ताओं के लिए इसका अर्थ है कि सोनिकेशन को केवल एक शोध विधि ही नहीं, बल्कि एक प्रक्रिया प्रौद्योगिकी के रूप में भी देखा जा सकता है।

निरंतर रासायनिक प्रसंस्करण के लिए इनलाइन सोनिकेशन

बैच सोनिकेशन प्रयोगशाला में स्क्रीनिंग और छोटी आयतन मात्राओं के अनुकूलन के लिए उपयोगी है। हालांकि, रासायनिक उत्पादन में अक्सर निरंतर संचालन, पुनरुत्पादकता और निर्धारित निवास समय की आवश्यकता होती है। Hielscher की अल्ट्रासोनिक प्रणालियाँ इनलाइन सोनिकेशन का समर्थन करती हैं, जिसमें तरल पदार्थों को अल्ट्रासोनिक प्रवाह सेल या रिएक्टर से पंप किया जाता है और नियंत्रित परिस्थितियों में कैविटेशन क्षेत्र के संपर्क में लाया जाता है।
इनलाइन सोनिकेशन को एकल-पास मोड या पुनःपरिसंचरण मोड में संचालित किया जा सकता है, जिससे तरल अल्ट्रासोनिक उपचार क्षेत्र से एक बार या कई बार गुजर सकता है। Hielscher के अनुसार, उसके अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर बैच और निरंतर इनलाइन प्रसंस्करण दोनों के लिए उपलब्ध हैं – प्रयोगशाला और बेंच-टॉप इकाइयों से लेकर पूर्ण औद्योगिक पैमाने तक।

सुप्रामॉलिक्यूलर रसायन विज्ञान और रासायनिक अभियांत्रिकी के लिए इनलाइन सोनिकेशन कई लाभ प्रदान करता है:

• कैविटेशन क्षेत्र में नियंत्रित निवास समय
• अनियंत्रित बैच विलोडन की तुलना में बेहतर पुनरुत्पादकता
• प्रवाह सेलों और बाहरी शीतलन के माध्यम से बेहतर ऊष्मा प्रबंधन
• बड़ी आयतन मात्राओं के लिए निरंतर प्रसंस्करण
• मौजूदा रासायनिक उत्पादन लाइनों में अधिक आसान एकीकरण
• प्रवाह दर, आयाम और रिएक्टर विन्यास को समायोजित करके उपचार की तीव्रता का पैमाना बढ़ाने की क्षमता

पथ-निर्भर रसायन विज्ञान में ये मापदंड निर्णायक हो सकते हैं। यदि कोई सुप्रामॉलिक्यूलर प्रणाली थोड़े समय के तीव्र सोनिकेशन और लंबे समय के हल्के सोनिकेशन के प्रति अलग-अलग प्रतिक्रिया देती है, तो इनलाइन प्रसंस्करण उस सोनिकेशन संपर्क को परिभाषित करने और पुनरुत्पादित करने के लिए अभियांत्रिकी ढाँचा प्रदान करता है।

रैखिक पैमाना विस्तार: सोनोकेमिकल स्क्रीनिंग से उत्पादन तक

Hielscher की अल्ट्रासोनिक प्रौद्योगिकी प्रयोगशाला परीक्षण से औद्योगिक प्रसंस्करण तक पैमाना बढ़ाने के लिए डिज़ाइन की गई है। बड़ी प्रणालियों के लिए आयाम, दाब और तापमान जैसे प्रक्रिया मापदंडों को छोटे प्रायोगिक संयोजनों में अनुकूलित किया जा सकता है और फिर अधिक प्रसंस्करण क्षमता वाले उपकरणों में स्थानांतरित किया जा सकता है। Hielscher के अनुसार, इष्टतम मापदंड विन्यास की पहचान हो जाने के बाद अल्ट्रासोनिक प्रक्रिया की दक्षता का पैमाना रैखिक रूप से बढ़ाया जा सकता है।
रैखिक पैमाना विस्तार की यह क्षमता संवेदनशील सुप्रामॉलिक्यूलर प्रणालियों पर काम करने वाले रसायनज्ञों और प्रक्रिया अभियंताओं के लिए विशेष रूप से महत्वपूर्ण है। स्व-संयोजित पदार्थ अक्सर परिचालन परिस्थितियों की संकीर्ण सीमाओं पर निर्भर करते हैं। मिश्रण की तीव्रता, निवास समय, तापमान प्रोफ़ाइल या ऊर्जा घनत्व में बदलाव उत्पाद की आकारिकी को बदल सकता है। जिन अल्ट्रासोनिक प्रणालियों का पैमाना बढ़ाया जा सकता है, वे निर्धारित सोनिकेशन परिस्थितियों को बनाए रखकर इस जोखिम को कम करने में मदद करती हैं, जब प्रक्रिया मिलीलीटर से लीटर और अंततः उत्पादन स्तर की प्रवाह दरों तक बढ़ती है।
Hielscher उच्च प्रसंस्करण क्षमता वाले इनलाइन सोनिकेशन के लिए MultiSonoReactor जैसे औद्योगिक इनलाइन रिएक्टर भी प्रदान करता है। ये प्रणालियाँ समांगीकरण, मिश्रण, परिक्षेपण, निष्कर्षण और सोनोकेमिकल अभिक्रियाओं सहित विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए डिज़ाइन की गई हैं।

अल्ट्रासोनिक विधि से संश्लेषित सुप्रामॉलिक्यूलर बहुरूपों की वैज्ञानिक और औद्योगिक प्रासंगिकता

अल्ट्रासाउंड द्वारा नियंत्रित सुपरामॉलिक्यूलर बहुरूपता पर किया गया अध्ययन महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह दर्शाता है कि रसायन विज्ञान में अल्ट्रासोनिक प्रभावों का उपयोग करके एक ही आणविक तंत्र से पदार्थ की विभिन्न अवस्थाएँ कैसे प्राप्त की जा सकती हैं। शोधकर्ताओं ने अणु को बदलने के बजाय प्रक्रिया की परिस्थितियाँ बदलीं। यही वह बिंदु है जहाँ सोनिकेशन औद्योगिक रसायन विज्ञान के लिए आकर्षक बनता है: यह अतिरिक्त संश्लेषण चरणों के बजाय प्रक्रिया के तीव्रीकरण के माध्यम से परिणामों में सुधार कर सकता है।
वैज्ञानिक अनुसंधान के लिए, ये निष्कर्ष काइरल स्व-संयोजन, गतिकीय फँसाव, ऊष्मागतिक नियंत्रण और सुपरामॉलिक्यूलर ऊर्जा परिदृश्यों की अधिक गहरी समझ विकसित करने में योगदान देते हैं। उद्योग के लिए, यही सिद्धांत बहुरूपों की बेहतर जाँच, कार्यात्मक पदार्थों के अधिक तेज़ विकास, समुच्चयों की आकारिकी पर बेहतर नियंत्रण और उन्नत रासायनिक तंत्रों के अधिक पुनरुत्पादनीय प्रसंस्करण में सहायक हो सकते हैं।

व्यावहारिक रूप से, सोनिकेशन रसायनज्ञों और रासायनिक अभियंताओं को निम्नलिखित कार्यों में मदद कर सकता है:

• स्व-संयोजन रूपांतरणों को तेज़ करना
• ऐसे समुच्चयन मार्गों को बढ़ावा देना जो अन्यथा सुलभ नहीं हैं
• मार्ग पर निर्भर तंत्रों में पुनरुत्पादनीयता में सुधार करना
• साम्य स्थापित होने में लगने वाले लंबे समय पर निर्भरता कम करना
• गतिकीय और ऊष्मागतिक उत्पाद अवस्थाओं की जाँच करना
• प्रयोगशाला के आशाजनक परिणामों को इनलाइन प्रक्रियाओं में स्थानांतरित करना

नई संभावनाएँ प्रदान करने वाली प्रौद्योगिकी के रूप में अल्ट्रासोनिक प्रसंस्करण

उच्च-शक्ति अल्ट्रासाउंड सुपरामॉलिक्यूलर रसायन विज्ञान के लिए नई संभावनाएँ प्रदान करने वाली प्रौद्योगिकी है। ध्वनिक ऊर्जा का नियंत्रित निवेश जटिल तंत्रों के आणविक संगठन को प्रभावित कर सकता है और ऐसी संरचनाएँ प्राप्त करना संभव बना सकता है जिन्हें केवल पारंपरिक विलोडन या तापीय उपचार से प्राप्त करना कठिन है।
उद्धृत अध्ययन Hielscher UP50H का उपयोग करके मूलभूत सुपरामॉलिक्यूलर अनुसंधान में सटीक प्रयोगशाला सोनिकेशन का महत्व दर्शाता है। Hielscher के बड़े बेंच-टॉप और औद्योगिक सोनिकेटरों के साथ, इसी प्रौद्योगिकी प्लेटफ़ॉर्म का विस्तार प्रक्रिया अनुकूलन, इनलाइन उपचार और रैखिक पैमाना-विस्तार के लिए किया जा सकता है।
रसायनज्ञों के लिए, यह स्व-संयोजन और बहुरूप नियंत्रण में नए प्रायोगिक मार्ग खोलता है। रासायनिक अभियंताओं के लिए, यह रसायन विज्ञान में अल्ट्रासोनिक प्रभावों को विश्वसनीय उत्पादन रणनीतियों में बदलने के लिए एक ऐसा प्रक्रिया उपकरण प्रदान करता है जिसका पैमाना बढ़ाया जा सकता है।

नीचे दी गई तालिका हमारे अल्ट्रासोनिकेटरों की अनुमानित प्रसंस्करण क्षमता का संकेत देती है:

डिज़ाइन, विनिर्माण और परामर्श – जर्मनी में निर्मित गुणवत्ता

Hielscher अल्ट्रासोनिकेटर अपनी उच्चतम गुणवत्ता और डिज़ाइन मानकों के लिए प्रसिद्ध हैं। मज़बूती और आसान संचालन हमारे अल्ट्रासोनिकेटरों को औद्योगिक सुविधाओं में सुगमता से एकीकृत करने में सहायक हैं। Hielscher अल्ट्रासोनिकेटर कठोर परिस्थितियों और चुनौतीपूर्ण परिवेशों में आसानी से काम करते हैं।

Hielscher Ultrasonics एक ISO प्रमाणित कंपनी है और अत्याधुनिक प्रौद्योगिकी तथा उपयोग में सुगमता वाले उच्च-प्रदर्शन अल्ट्रासोनिकेटरों पर विशेष ज़ोर देती है। निस्संदेह, Hielscher अल्ट्रासोनिकेटर CE के अनुरूप हैं और UL, CSA तथा RoHs की आवश्यकताओं को पूरा करते हैं।

साहित्य / संदर्भ

• 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.