Az ultrahangkezelés új utakat nyit a szupramolekuláris kémiában

A szupramolekuláris kémia gyenge, reverzibilis kölcsönhatásokon alapul: hidrogénkötés, π–π-rétegeződés, van der Waals-erők, szolvofób hatások és királis felismerés. Ezek a kölcsönhatások lehetővé teszik a molekulák számára, hogy nagyobb szerkezetekbe – például szálakba, rudakba, gélekbe, aggregátumokba és szupramolekuláris polimerekbe – szerveződjenek. A kémikusok és a vegyészmérnökök számára a kihívás nem csupán az ilyen struktúrák kialakításában rejlik, hanem abban is, hogy szabályozzák, melyik struktúra alakul ki, milyen gyorsan alakul ki, és hogy kinetikailag csapdába esik-e, vagy eléri a termodinamikailag legstabilabb állapotot.

Az ultrahang hatása a kémiában: az ultrahangkezelés szabályozza a szupramolekuláris önszerveződést

A Nature Communications folyóiratban megjelent, Wehner és munkatársai (2020) által készített tudományos tanulmány kimutatja, hogy az ultrahangos kezelés hatékony külső ingerként alkalmazható a szupramolekuláris kémiában az önszerveződési folyamatok szabályozására. A kutatók királis perilén-biszimid molekulák racém keverékét vizsgálták, és kimutatták, hogy az ultrahangkezelés irányíthatja a különböző szupramolekuláris polimorfok kialakulását. Az ultrahangos feltételektől függően a rendszer különböző önszerveződő struktúrákat hozott létre, beleértve a kinetikailag szabályozott konglomerátumokat és egy termodinamikailag stabil racém szupramolekuláris polimert. A tanulmányban kifejezetten egy Hielscher UP50H ultrahangos processzort használtak az ultrahangkezeléshez, amelyet 30 kHz-es frekvencián, 50 W teljesítményen és 100%-os amplitúdón működtettek.
Ez az eredmény rendkívül fontos a modern anyagkémia szempontjából, mivel rámutat arra, hogy az ultrahang nem csupán keverési vagy diszpergálási eszköz. Pontosan meghatározott körülmények között az ultrahangkezelés a molekuláris folyamatok szabályozásának egyik folyamatparamétere lehet.

Miért fontosak az ultrahangos hatások a kémiában?

A kémiai folyamatokban az ultrahangos hatások elsősorban az akusztikus kavitáció következményei. Amikor nagy intenzitású ultrahangot vezetnek be egy folyadékba, a váltakozó nyomásciklusok mikroszkopikus kavitációs buborékokat hoznak létre. Ezek növekedése és összeomlása lokalizált, nagy energiájú állapotokat, intenzív mikroszivárgást, erős nyírógradienseket és hatékony anyagátvitelt eredményez. A kémiai és anyagfeldolgozási folyamatokban ezek a hatások befolyásolhatják a nukleációt, az aggregációt, a részecskeképződést, a diszperziót, a kristályosodást és az önszerveződést.
A szupramolekuláris kémiában ez különösen értékes, mivel számos rendszer az átalakulási útvonalaktól függ. Ugyanaz a molekula az energiabevitel sorrendjétől és intenzitásától, a hőmérséklettől, a koncentrációtól, az oldószer összetételétől és az időtől függően különböző polimorfokká alakulhat. Az ultrahangkezelés szabályozható módszert kínál a mechanikai energia bejuttatására a rendszerbe anélkül, hogy az építőelem molekulaszerkezete megváltozna.
A vegyészmérnökök számára ez döntő előnyt jelent: az ultrahang paraméterei beállíthatók. Az amplitúdó, a teljesítmény, a szonotróda és a reaktor geometriája, a hőmérséklet, a tartózkodási idő, a nyomás és az áramlási sebesség beállítható, figyelemmel kísérhető, és a megvalósíthatósági vizsgálatokból átvihető nagyobb feldolgozási mennyiségekre.

Az ultrahangkezelés mint az önszerveződés szabályozásának eszköze

A tanulmány két enantiomer perilén-biszimid molekula racém keverékének önszerveződését vizsgálta. Megfelelő külső inger hiányában az ilyen rendszerek előnyben részesített aggregációs útvonalat követhetnek, vagy metastabil állapotokban rekedhetnek. Szabályozott ultrahangkezelés alkalmazásával a kutatók különböző szupramolekuláris eredményeket tudtak elérni.
A legfontosabb megállapítás egyszerű, de jelentős: az ultrahangkezelés megváltoztatta az önszerveződés folyamatát. Meghatározott hőmérsékletek és koncentrációk mellett a nagy teljesítményű ultrahang elősegítette az átalakulást az egyik aggregált állapotból a másikba. Kinetikus ultrahangkezelési körülmények között a rendszer szupramolekuláris konglomerátumot alkotott. Termodinamikai ultrahangkezelési körülmények között pedig racém szupramolekuláris polimert alkotott, amely eltérő morfológiával és nagyobb stabilitással rendelkezett.
A tudományos jelentőség abban rejlik, hogy befolyásolható, hogy a homokirális vagy a heterokirális aggregáció domináljon-e. Az ipari jelentőség egy tágabb koncepcióban rejlik: az ultrahangkezelés nem csupán a feldolgozás felgyorsítását szolgálja, hanem a molekuláris szerveződés irányítását is elősegítheti.

Ez a következőkre vonatkozik:

• szupramolekuláris polimerek és funkcionális szerves anyagok
• királis aggregáció és racém szétválasztás kutatása
• kristályosodás és polimorf szűrés
• nanoszálak, nanorudak és festék-aggregátumok kialakulása
• készítményfejlesztés és fejlett anyagfeldolgozás
• ultrahanggal támogatott kémiai folyamatok méretnövelése

A Hielscher ultrahangos készülékek szerepe a szupramolekuláris kémiában

A kísérleti munkához az ultrahangkezelést a Hielscher UP50H kompakt laboratóriumi ultrahangos berendezéssel végeztük. Az UP50H egy 50 W-os, 30 kHz-es szondás ultrahangos berendezés, amelyet kis laboratóriumi mintákhoz terveztek, és amelyet kémiai, biológiai, orvosi és analitikai laboratóriumokban használnak. A Hielscher leírása szerint az UP50H kézi vagy állványra szerelt üzemmódra egyaránt alkalmas, és olyan feladatok elvégzésére használható, mint a kis mintamennyiségek diszpergálása, oldása, emulgeálása és homogenizálása.
Ebben a tanulmányban az UP50H biztosította azt az ultrahangos energiát, amely a szupramolekuláris aggregátumok átalakulásának kiváltásához és irányításához szükséges volt. Ez egy fontos gyakorlati szempontot szemléltet a kémikusok számára: a kis térfogatú laboratóriumi ultrahangkezelés olyan folyamatbeli lehetőségeket tárhat fel, amelyeket keveréssel, hevítéssel vagy pusztán passzív érleléssel egyedül nehéz lenne azonosítani.
A szupramolekuláris kémia területén az UP50H-hoz hasonló szondatípusú ultrahangos készülékek ezért nemcsak a minták előkészítésére, hanem aktív kísérleti változóként is felhasználhatók. Az ultrahangkezelés hőmérsékletének és időtartamának változtatásával a kutatók kinetikai és termodinamikai rendszereket vizsgálhatnak, az aggregációs útvonalakat szűrhetik, valamint metastabil vagy stabil polimorfokat azonosíthatnak.
 

Az (R,R)- és (S,S)-PBI racém keverékének spektroszkópos vizsgálata. a Az (R,R)- és (S,S)-PBI kémiai szerkezetei, valamint az (R,R)- és (S,S)-PBI racém keverékének ultrahang által kiváltott szupramolekuláris polimerizációja a Con-Agg 1 és Con-Agg 2 konglomerátumokká, valamint a Rac-Agg 4 racém szupramolekuláris polimerré.
Tanulmány és ábra: ©Wehner és társai, 2020

A laboratóriumi felfedezéstől a méretezhető ultrahangos feldolgozásig

A Hielscher ultrahangos készülékeinek egyik fő előnye, hogy a teljes fejlesztési lánc mentén rendelkezésre állnak az ultrahangos berendezések: a kompakt laboratóriumi készülékektől kezdve az asztali rendszereken át egészen az ipari ultrahangos feldolgozókig. A Hielscher folyadékfeldolgozásra szolgáló ultrahangos készülékeket és szondákat kínál a laboratóriumi mérettől a gyártási méretig, olyan alkalmazási területeken, mint a kémiai feldolgozás, a részecskeméret-csökkentés, az extrakció, a diszpergálás és a homogenizálás.
Ez azért fontos, mert számos ígéretes szonokémiai vagy szupramolekuláris eredmény nem jut túl a laboratóriumi szakaszon, ha a folyamatot nagyobb léptékben nem lehet reprodukálni. A Hielscher ultrahangos folyamatfejlesztési megközelítése szabályozható paramétereken és méretezhető berendezéskonfigurációkon alapul. Miután azonosították a hatékony ultrahangos folyamatot, a folyamat átvihető nagyobb ultrahangos rendszerekre a megfelelő energia-beviteli és feldolgozási feltételek fenntartásával.
Az ipari felhasználók számára ez azt jelenti, hogy az ultrahangkezelés nem csupán kutatási módszerként, hanem folyamattechnológiaként is felfogható.

Beépített ultrahangkezelés a folyamatos vegyipari feldolgozáshoz

A szakaszos ultrahangkezelés laboratóriumi szűréshez és kis térfogatú optimalizáláshoz hasznos. A vegyipari gyártás azonban gyakran folyamatos üzemeltetést, reprodukálhatóságot és meghatározott tartózkodási időket igényel. A Hielscher ultrahangos rendszerei támogatják az inline ultrahangkezelést, amelynek során a folyadékokat egy ultrahangos áramlási cellán vagy reaktoron keresztül szivattyúzzák, és ellenőrzött körülmények között kavitációs mezőnek teszik ki őket.
Az inline ultrahangkezelés egyáteresztéses vagy recirkulációs üzemmódban is működtethető, ami lehetővé teszi, hogy a folyadék egyszer vagy többször haladjon át az ultrahangos kezelési zónán. A Hielscher közlése szerint ultrahangos berendezései mind szakaszos, mind folyamatos inline feldolgozásra alkalmasak, a laboratóriumi és asztali egységektől egészen a teljes ipari méretig.

A szupramolekuláris kémia és a vegyészmérnöki területeken az inline ultrahangkezelés számos előnnyel jár:

• a kavitációs zónában szabályozott tartózkodási idő
• jobb reprodukálhatóság a szabályozatlan tételkeveréshez képest
• hatékonyabb hőkezelés áramlási cellák és külső hűtés segítségével
• folyamatos feldolgozás nagyobb mennyiségek esetén
• könnyebb integrálás a meglévő vegyipari gyártósorokba
• az áramlási sebesség, az amplitúdó és a reaktor konfigurációjának módosításával skálázható kezelési intenzitás

Az útvonalfüggő kémia területén ezek a paraméterek döntő jelentőségűek lehetnek. Ha egy szupramolekuláris rendszer másképp reagál a rövid, intenzív ultrahangkezelésre, mint a hosszan tartó, enyhe ultrahangkezelésre, akkor az inline feldolgozás biztosítja azt a műszaki keretrendszert, amelynek segítségével meghatározható és reprodukálható ez a hatás.

Lineáris méretnövelés: a szonokémiai szűréstől a gyártásig

A Hielscher ultrahangos technológiáját úgy tervezték, hogy a laboratóriumi kísérletektől az ipari feldolgozásig terjedő méretnövelésre alkalmas legyen. Nagy rendszerek esetében az olyan folyamatparaméterek, mint az amplitúdó, a nyomás és a hőmérséklet, kisebb berendezésekben optimalizálhatók, majd átvihetők a nagyobb teljesítményű berendezésekre. A Hielscher az ultrahangos folyamat hatékonyságát lineárisan skálázhatónak írja le, miután az optimális paraméterkonfigurációt meghatározták.
Ez a lineáris méretnövelési képesség különösen fontos azoknak a kémikusoknak és folyamatmérnököknek, akik érzékeny szupramolekuláris rendszerekkel dolgoznak. Az önszerveződő anyagok gyakran szűk folyamatablakoktól függenek. A keverési intenzitás, a tartózkodási idő, a hőmérsékleti profil vagy az energiasűrűség változása megváltoztathatja a termék morfológiáját. A méretezhető ultrahangos rendszerek segítenek csökkenteni ezt a kockázatot azáltal, hogy megőrzik a meghatározott ultrahangkezelési feltételeket, miközben a folyamat a milliliteres mennyiségektől a literes mennyiségekig, majd végül a gyártási méretű áramlási sebességekig terjed.
A Hielscher ipari inline reaktorokat is kínál, például a MultiSonoReactor modellt a nagy áteresztőképességű inline ultrahangkezeléshez. Ezeket a rendszereket olyan alkalmazásokra tervezték, mint a homogenizálás, a keverés, a diszpergálás, az extrakció és a szonokémiai reakciók.

Az ultrahanggal előállított szupramolekuláris polimorfok tudományos és ipari jelentősége

Az ultrahanggal szabályozott szupramolekuláris polimorfizmusról szóló tanulmány azért jelentős, mert bemutatja, hogyan használhatók fel a kémia területén az ultrahangos hatások arra, hogy ugyanabból a molekuláris rendszerből különböző anyagállapotokat érjünk el. A kutatók nem a molekulát, hanem a folyamat feltételeit változtatták meg. Pontosan ez teszi az ultrahangkezelést vonzóvá az ipari kémia számára: a további szintetikus lépések helyett a folyamat intenzívebbé tételével javíthatja az eredményeket.
A tudományos kutatás szempontjából az eredmények hozzájárulnak a királis önszerveződés, a kinetikus befogás, a termodinamikai szabályozás és a szupramolekuláris energiatér mélyebb megértéséhez. Az ipar számára ezek az elvek elősegíthetik a polimorfok hatékonyabb szűrését, a funkcionális anyagok gyorsabb fejlesztését, az aggregátumok morfológiájának jobb szabályozását, valamint a fejlett kémiai rendszerek reprodukálhatóbb feldolgozását.

A gyakorlatban az ultrahangkezelés a következőképpen segítheti a kémikusokat és a vegyészmérnököket:

• az önszerveződési átalakulások felgyorsítása
• elősegítik az egyébként elérhetetlen aggregációs útvonalakat
• a jelátviteli útvonalaktól függő rendszerekben a reprodukálhatóság javítása
• csökkentse a hosszú egyensúlyba hozási időktől való függést
• a termék kinetikai és termodinamikai állapotainak megjelenítése
• az ígéretes laboreredmények beépítése a gyártási folyamatokba

Az ultrahangos feldolgozás mint alaptechnológia

A nagy teljesítményű ultrahang a szupramolekuláris kémia alapját képező technológia. Az akusztikus energia szabályozott bevitelével befolyásolható a komplex rendszerek molekuláris szerkezete, és olyan struktúrák hozhatók létre, amelyek pusztán hagyományos keveréssel vagy hőkezeléssel nehezen érhetők el.
A Hielscher UP50H készülék segítségével az idézett tanulmány bemutatja a precíz laboratóriumi ultrahangkezelés jelentőségét az alapvető szupramolekuláris kutatásban. A Hielscher nagyobb asztali és ipari ultrahangkezelő berendezéseivel ugyanaz a technológiai platform kiterjeszthető a folyamatoptimalizálásra, az inline kezelésre és a lineáris méretnövelésre.
A kémikusok számára ez új kísérleti irányokat nyit meg az önszerveződés és a polimorfizmus szabályozása terén. A vegyészmérnökök számára pedig egy skálázható eljárási eszközt biztosít, amellyel a kémia területén fellépő ultrahanghatások megbízható gyártási stratégiákká alakíthatók át.

Az alábbi táblázat jelzi ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitását:

Tervezés, gyártás és tanácsadás – Németországban gyártott minőség

A Hielscher ultrahangos készülékek jól ismertek a legmagasabb minőségi és tervezési szabványokról. A robusztusság és a könnyű kezelhetőség lehetővé teszi ultrahangos készülékeink zökkenőmentes integrálását ipari létesítményekbe. A durva körülmények és az igényes környezetek könnyen kezelhetők Hielscher ultrasonicators.

Hielscher Ultrasonics egy ISO tanúsítvánnyal rendelkező cég, és különös hangsúlyt fektet a nagy teljesítményű ultrasonicatorokra, amelyek a legmodernebb technológiát és felhasználóbarátságot mutatják. Természetesen a Hielscher ultrasonicators CE-kompatibilis és megfelel az UL, CSA és RoHs követelményeinek.

Irodalom / Hivatkozások