Az ultrahangos kezelés új utakat nyit a szupramolekuláris kémiában

A szupramolekuláris kémia gyenge, reverzibilis kölcsönhatásokon alapul: hidrogénkötéseken, π–π kölcsönhatások révén kialakuló rétegződésen, van der Waals-erőkön, szolvofób hatásokon és királis felismerésen. Ezek a kölcsönhatások lehetővé teszik, hogy a molekulák nagyobb szerkezetekké, például szálakká, rudakká, gélekké, aggregátumokká és szupramolekuláris polimerekké önszerveződjenek. A vegyészek és vegyészmérnökök számára a kihívás nem csupán az ilyen szerkezetek létrehozása, hanem annak szabályozása is, hogy melyik szerkezet alakul ki, milyen gyorsan jön létre, és kinetikailag csapdázott marad-e, vagy eléri a termodinamikailag legstabilabb állapotot.

Ultrahanghatások a kémiában: az ultrahangos kezelés szabályozza a szupramolekuláris önszerveződést

Wehner és munkatársai (2020) Nature Communications folyóiratban megjelent tudományos tanulmánya bemutatja, hogy az ultrahangos kezelés erőteljes külső ingerként alkalmazható a szupramolekuláris kémiában az önszerveződési útvonalak szabályozására. A kutatók királis perilén-biszimid-molekulák racém elegyét vizsgálták, és kimutatták, hogy az ultrahangos kezelés különböző szupramolekuláris polimorfok képződését irányíthatja. Az ultrahangos kezelés körülményeitől függően a rendszer különböző önszerveződött szerkezeteket hozott létre, köztük kinetikailag szabályozott konglomerátumokat és egy termodinamikailag stabil racém szupramolekuláris polimert. A tanulmányban kifejezetten Hielscher UP50H ultrahangos processzort használtak az ultrahangos kezeléshez, amelyet 30 kHz frekvencián, 50 W teljesítménnyel és 100% amplitúdóval működtettek.
Ez az eredmény igen jelentős a modern anyagkémia számára, mert megmutatja, hogy az ultrahang nem pusztán keverési vagy diszpergálási eszköz. Jól meghatározott körülmények között az ultrahangos kezelés a molekuláris útvonalak szabályozásának folyamatparamétereként működhet.

Miért fontosak az ultrahanghatások a kémiában?

A kémiában az ultrahanghatásokat elsősorban az akusztikus kavitáció okozza. Amikor nagy intenzitású ultrahangot juttatnak egy folyadékba, a váltakozó nyomásciklusok mikroszkopikus kavitációs buborékokat hoznak létre. Növekedésük és összeomlásuk helyi, nagy energiájú körülményeket, intenzív mikroáramlást, erős nyírási gradienseket és hatékony anyagátadást eredményez. A kémiai és anyagfeldolgozási folyamatokban ezek a hatások befolyásolhatják a magképződést, az aggregációt, a részecskeképződést, a diszpergálást, a kristályosodást és az önszerveződést.
A szupramolekuláris kémiában ez különösen értékes, mert számos rendszer útvonalfüggő. Ugyanaz a molekula különböző polimorfokká szerveződhet az energiabevitel sorrendjétől és intenzitásától, a hőmérséklettől, a koncentrációtól, az oldószer összetételétől és az időtől függően. Az ultrahangos kezelés szabályozható módot kínál a mechanikai energia rendszerbe juttatására anélkül, hogy megváltoztatná az építőelem molekulaszerkezetét.
A vegyészmérnökök számára ez döntő előny: az ultrahang paraméterezhető. Az amplitúdó, a teljesítmény, a szonotróda és a reaktor geometriája, a hőmérséklet, a tartózkodási idő, a nyomás és a térfogatáram beállítható, nyomon követhető, és a megvalósíthatósági vizsgálatokból nagyobb feldolgozási térfogatokra átvihető.

Az ultrahangos kezelés mint az önszerveződés szabályozásának eszköze

A tanulmány két enantiomer perilén-biszimid-molekula racém elegyének önszerveződését vizsgálta. Megfelelő külső inger hiányában az ilyen rendszerek egy előnyben részesített aggregációs útvonalat követhetnek, vagy metastabil állapotokban csapdázódhatnak. Szabályozott ultrahangos kezelés alkalmazásával a kutatók különböző szupramolekuláris végállapotokat tudtak elérni.
A legfontosabb megállapítás egyszerű, de nagy jelentőségű: az ultrahangos kezelés megváltoztatta az önszerveződési útvonalat. Meghatározott hőmérsékleteken és koncentrációknál a nagy teljesítményű ultrahang elősegítette az egyik aggregátumállapotból a másikba történő átalakulást. Kinetikai szabályozást eredményező ultrahangos kezelési körülmények között a rendszer szupramolekuláris konglomerátumot képezett. Termodinamikai szabályozást eredményező ultrahangos kezelési körülmények között eltérő morfológiájú és nagyobb stabilitású racém szupramolekuláris polimert képezett.
A tudományos jelentőség abban rejlik, hogy befolyásolható, a homokirális vagy a heterokirális aggregáció válik-e meghatározóvá. Az ipari jelentőség a tágabb koncepcióban rejlik: az ultrahangos kezelés segíthet a molekuláris szerveződés irányításában, nem csupán a feldolgozás felgyorsításában.

Ez a következő területeken jelentős:

• szupramolekuláris polimerek és funkcionális szerves anyagok
• a királis aggregáció és a racemátrezolválás kutatása
• kristályosítás és polimorfszűrés
• nanoszálak, nanorudak és festékaggregátumok képződése
• formulációfejlesztés és korszerű anyagfeldolgozás
• ultrahanggal segített kémiai folyamatok méretnövelése

A Hielscher ultrahangos készülékek szerepe a szupramolekuláris kémiában

A kísérleti munkában az ultrahangos kezelést a Hielscher UP50H kompakt laboratóriumi ultrahangos processzorral végezték. Az UP50H egy 50 W teljesítményű, 30 kHz frekvenciájú, szondás ultrahangos készülék, amelyet kis laboratóriumi mintákhoz terveztek, és kémiai, biológiai, orvosi és analitikai laboratóriumokban használnak. A Hielscher leírása szerint az UP50H kézben tartva vagy állványra szerelve is működtethető, és alkalmas például kis mintatérfogatok diszpergálására, oldására, emulgeálására és homogenizálására.
Ebben a tanulmányban az UP50H biztosította a szupramolekuláris aggregátumok átalakulásának kiváltásához és irányításához szükséges ultrahangos energiát. Ez egy fontos gyakorlati szempontot szemléltet a vegyészek számára: a kis térfogatú minták laboratóriumi ultrahangos kezelése olyan folyamattartományokat tárhat fel, amelyeket egyébként pusztán keveréssel, melegítéssel vagy passzív öregítéssel nehéz azonosítani.
A szupramolekuláris kémiában ezért az olyan szondás ultrahangos készülékek, mint az UP50H, nemcsak minta-előkészítésre, hanem aktív kísérleti változóként is használhatók. Az ultrahangos kezelés hőmérsékletének és időtartamának változtatásával a kutatók vizsgálhatják a kinetikai és termodinamikai tartományokat, szűrhetik az aggregációs útvonalakat, és azonosíthatják a metastabil vagy stabil polimorfokat.
 

Az (R,R)- és (S,S)-PBI racém elegyének spektroszkópiai vizsgálatai. a Az (R,R)- és (S,S)-PBI kémiai szerkezete, valamint az (R,R)- és (S,S)-PBI racém elegyének ultrahang által kiváltott szupramolekuláris polimerizációjának sematikus ábrázolása, amely a Con-Agg 1 és Con-Agg 2 konglomerátumokat, valamint a Rac-Agg 4 racém szupramolekuláris polimert eredményezi.
Tanulmány és ábra: ©Wehner et al., 2020

A laboratóriumi felfedezéstől a méretnövelhető ultrahangos feldolgozásig

A Hielscher ultrahangos készülékek egyik jelentős előnye, hogy a teljes fejlesztési lánchoz rendelkezésre állnak ultrahangos berendezések: a kompakt laboratóriumi készülékektől az asztali rendszereken át az ipari ultrahangos processzorokig. A Hielscher a laboratóriumi léptéktől a termelési léptékig kínál ultrahangos készülékeket és szondákat folyadékfeldolgozásra, többek között kémiai feldolgozási, részecskeméret-csökkentési, extrakciós, diszpergálási és homogenizálási alkalmazásokhoz.
Ez azért lényeges, mert számos ígéretes szonokémiai vagy szupramolekuláris eredmény nem jut túl a laboratóriumon, ha a folyamat nagyobb léptékben nem reprodukálható. A Hielscher ultrahangos folyamatfejlesztési megközelítése szabályozható paramétereken és méretnövelhető berendezéskonfigurációkon alapul. Egy hatékony ultrahangos folyamattartomány azonosítása után a folyamat nagyobb ultrahangos rendszerekre vihető át a lényeges energiabevitel és feldolgozási körülmények fenntartásával.
Az ipari felhasználók számára ez azt jelenti, hogy az ultrahangos kezelés nemcsak kutatási módszerként, hanem folyamattechnológiaként is számításba vehető.

Inline ultrahangos kezelés folyamatos kémiai feldolgozáshoz

A szakaszos ultrahangos kezelés hasznos a laboratóriumi szűrővizsgálatokhoz és a kis térfogatú optimalizáláshoz. A vegyipari termelés azonban gyakran folyamatos működést, reprodukálhatóságot és meghatározott tartózkodási időket igényel. A Hielscher ultrahangos rendszerei támogatják az inline ultrahangos kezelést, amelynek során a folyadékokat ultrahangos átfolyó cellán vagy reaktoron keresztül szivattyúzzák, és szabályozott körülmények között kavitációs térnek teszik ki.
Az inline ultrahangos kezelés egyszeri átvezetéses vagy recirkulációs üzemmódban működtethető, így a folyadék egyszer vagy többször haladhat át az ultrahangos kezelési zónán. A Hielscher közlése szerint ultrahangos processzorai szakaszos és folyamatos inline feldolgozásra egyaránt rendelkezésre állnak, a laboratóriumi és asztali egységektől a teljes ipari léptékig.

A szupramolekuláris kémia és a vegyészmérnöki gyakorlat számára az inline ultrahangos kezelés számos előnyt kínál:

• szabályozott tartózkodási idő a kavitációs zónában
• jobb reprodukálhatóság a szabályozatlan szakaszos keveréshez képest
• jobb hőszabályozás átfolyó cellák és külső hűtés révén
• folyamatos feldolgozás nagyobb térfogatokhoz
• könnyebb integrálás a meglévő vegyipari gyártósorokba
• méretnövelhető kezelési intenzitás a térfogatáram, az amplitúdó és a reaktorkonfiguráció beállításával

Az útvonalfüggő kémiában ezek a paraméterek kritikusak lehetnek. Ha egy szupramolekuláris rendszer másképp reagál a rövid, intenzív ultrahangos kezelésre, mint a hosszan tartó, enyhe ultrahangos kezelésre, az inline feldolgozás biztosítja az adott kezelési hatás meghatározásához és reprodukálásához szükséges mérnöki keretet.

Lineáris méretnövelés: a szonokémiai szűrővizsgálatoktól a termelésig

A Hielscher ultrahangos technológiáját a laboratóriumi vizsgálatoktól az ipari feldolgozásig történő méretnövelésre tervezték. Nagy rendszerek esetében az olyan folyamatparaméterek, mint az amplitúdó, a nyomás és a hőmérséklet, kisebb összeállításokon optimalizálhatók, majd nagyobb feldolgozási kapacitású berendezésekre vihetők át. A Hielscher leírása szerint az ultrahangos folyamat hatékonysága az optimális paraméterkonfiguráció azonosítása után lineárisan skálázható.
Ez a lineáris méretnövelési képesség különösen fontos az érzékeny szupramolekuláris rendszerekkel dolgozó vegyészek és folyamatmérnökök számára. Az önszerveződött anyagok gyakran szűk folyamattartományoktól függnek. A keverési intenzitás, a tartózkodási idő, a hőmérsékletprofil vagy az energiasűrűség megváltozása módosíthatja a termék morfológiáját. A méretnövelhető ultrahangos rendszerek segítenek csökkenteni ezt a kockázatot azáltal, hogy megőrzik a meghatározott ultrahangos kezelési körülményeket, miközben a folyamat a milliliterekről a literekre, végül pedig a termelési léptékű térfogatáramokra tér át.
A Hielscher ipari inline reaktorokat, például MultiSonoReactor rendszereket is kínál nagy feldolgozási kapacitású inline ultrahangos kezeléshez. Ezeket a rendszereket többek között homogenizálásra, keverésre, diszpergálásra, extrakcióra és szonokémiai reakciókra tervezték.

Az ultrahanggal szintetizált szupramolekuláris polimorfok tudományos és ipari jelentősége

Az ultrahanggal szabályozott szupramolekuláris polimorfizmusról szóló tanulmány azért jelentős, mert bemutatja, hogyan használhatók a kémiában az ultrahanghatások arra, hogy ugyanabból a molekuláris rendszerből különböző anyagállapotokat hozzanak létre. A kutatók a molekula megváltoztatása helyett a folyamat körülményeit változtatták meg. Éppen ez teszi vonzóvá az ultrahangos kezelést az ipari kémia számára: további szintézislépések helyett folyamatintenzifikálással javíthatja az eredményeket.
A tudományos kutatásban az eredmények hozzájárulnak a királis önszerveződés, a kinetikai csapdázódás, a termodinamikai szabályozás és a szupramolekuláris energiatájak mélyebb megértéséhez. Az iparban ugyanezek az elvek támogathatják a polimorfok hatékonyabb szűrését, a funkcionális anyagok gyorsabb fejlesztését, az aggregátummorfológia jobb szabályozását és a korszerű kémiai rendszerek reprodukálhatóbb feldolgozását.

Gyakorlati szempontból az ultrahangos kezelés a következőkben segítheti a vegyészeket és vegyészmérnököket:

• az önszerveződési átalakulások felgyorsítása
• az egyébként hozzáférhetetlen aggregációs útvonalak elősegítése
• a reprodukálhatóság javítása útvonalfüggő rendszerekben
• a hosszú egyensúlybeállási időktől való függés csökkentése
• a kinetikai és termodinamikai termékállapotok szűrővizsgálata
• az ígéretes laboratóriumi eredmények átültetése inline folyamatokba

Az ultrahangos feldolgozás mint új lehetőségeket teremtő technológia

A nagy teljesítményű ultrahang új lehetőségeket teremtő technológia a szupramolekuláris kémia számára. Az akusztikus energia szabályozott bevitele befolyásolhatja az összetett rendszerek molekuláris szerveződését, és olyan szerkezetek létrehozását teheti lehetővé, amelyek pusztán hagyományos keveréssel vagy hőkezeléssel nehezen érhetők el.
A hivatkozott tanulmány a Hielscher UP50H alkalmazásával bemutatja a precíz laboratóriumi ultrahangos kezelés értékét a szupramolekuláris alapkutatásban. A Hielscher nagyobb asztali és ipari ultrahangos készülékeivel ugyanez a technológiai platform kiterjeszthető a folyamatoptimalizálás, az inline kezelés és a lineáris méretnövelés irányába.
A vegyészek számára ez új kísérleti utakat nyit az önszerveződés és a polimorfok szabályozása terén. A vegyészmérnökök számára méretnövelhető folyamateszközt biztosít ahhoz, hogy a kémiában fellépő ultrahanghatásokat megbízható termelési stratégiákká alakítsák.

Az alábbi táblázat tájékoztatást ad ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitásáról:

Tervezés, gyártás és tanácsadás – Németországban készült minőség

A Hielscher ultrahangos készülékei a legmagasabb minőségi és tervezési színvonalukról ismertek. A robusztusság és az egyszerű kezelés lehetővé teszi ultrahangos készülékeink zökkenőmentes integrálását az ipari létesítményekbe. A Hielscher ultrahangos készülékei könnyedén megbirkóznak a zord körülményekkel és az igénybevételt jelentő környezetekkel.

A Hielscher Ultrasonics ISO-tanúsítvánnyal rendelkező vállalat, amely különös hangsúlyt fektet a csúcstechnológiával és felhasználóbarát kialakítással rendelkező, nagy teljesítményű ultrahangos készülékekre. A Hielscher ultrahangos készülékei természetesen CE-megfelelőek, és teljesítik az UL, CSA és RoHs követelményeit.

Szakirodalom / Hivatkozások

• 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.