Ուլտրաձայնային մշակումը նոր ուղիներ է բացում վերմոլեկուլային քիմիայում

Վերմոլեկուլային քիմիան հիմնված է թույլ, դարձելի փոխազդեցությունների վրա՝ ջրածնային կապերի առաջացում, π–π շերտավորում, վան դեր Վաալսի ուժեր, սոլվոֆոբ ազդեցություններ և քիրալ ճանաչում։ Այս փոխազդեցությունները թույլ են տալիս մոլեկուլներին ինքնակազմակերպվել ավելի խոշոր կառուցվածքների մեջ, ինչպիսիք են մանրաթելերը, ձողերը, գելերը, ագրեգատները և վերմոլեկուլային պոլիմերները։ Քիմիկոսների և քիմիական ճարտարագետների համար խնդիրը ոչ միայն նման կառուցվածքներ ձևավորելն է, այլև վերահսկելը, թե որ կառուցվածքն է ձևավորվում, որքան արագ է այն ձևավորվում և արդյոք մնում է կինետիկորեն արգելափակված վիճակում, թե հասնում է թերմոդինամիկորեն ամենակայուն վիճակին։

Ուլտրաձայնային ազդեցությունները քիմիայում. ուլտրաձայնային մշակումը վերահսկում է վերմոլեկուլային ինքնահավաքումը

Nature Communications հանդեսում հրապարակված՝ Wehner և այլ հեղինակների (2020) գիտական հետազոտությունը ցույց է տալիս, որ ուլտրաձայնային մշակումը կարող է օգտագործվել որպես հզոր արտաքին խթան՝ վերմոլեկուլային քիմիայում ինքնահավաքման ուղիները վերահսկելու համար։ Հետազոտողներն ուսումնասիրել են պերիլեն բիսիմիդի քիրալ մոլեկուլների ռացեմիկ խառնուրդը և ցույց տվել, որ ուլտրաձայնային մշակումը կարող էր ուղղորդել տարբեր վերմոլեկուլային պոլիմորֆների ձևավորումը։ Կախված ուլտրաձայնային մշակման պայմաններից՝ համակարգում առաջացել են տարբեր ինքնահավաքված կառուցվածքներ, այդ թվում՝ կինետիկորեն վերահսկվող կոնգլոմերատներ և թերմոդինամիկորեն կայուն ռացեմիկ վերմոլեկուլային պոլիմեր։ Հետազոտության մեջ ուլտրաձայնային մշակման համար բացահայտորեն օգտագործվել է Hielscher UP50H ուլտրաձայնային պրոցեսորը՝ 30 kHz հաճախականությամբ, 50 W հզորությամբ և 100% ամպլիտուդով։
Այս արդյունքը խիստ կարևոր է ժամանակակից նյութերի քիմիայի համար, քանի որ ցույց է տալիս, որ ուլտրաձայնը պարզապես խառնման կամ դիսպերսման գործիք չէ։ Հստակ սահմանված պայմաններում ուլտրաձայնային մշակումը կարող է ծառայել որպես գործընթացի պարամետր՝ մոլեկուլային փոխակերպումների ուղիները վերահսկելու համար։

Ինչու են ուլտրաձայնային ազդեցությունները կարևոր քիմիայում

Քիմիայում ուլտրաձայնային ազդեցությունները հիմնականում պայմանավորված են ակուստիկ կավիտացիայով։ Երբ բարձր ինտենսիվության ուլտրաձայնը ներմուծվում է հեղուկի մեջ, ճնշման հերթագայող ցիկլերն առաջացնում են մանրադիտակային կավիտացիոն պղպջակներ։ Դրանց աճն ու փլուզումը ստեղծում են տեղայնացված բարձր էներգետիկ պայմաններ, ինտենսիվ միկրոհոսքեր, սահքի մեծ գրադիենտներ և արդյունավետ զանգվածափոխանակություն։ Քիմիական և նյութերի մշակման գործընթացներում այս ազդեցությունները կարող են ազդել միջուկագոյացման, ագրեգացման, մասնիկների ձևավորման, դիսպերսման, բյուրեղացման և ինքնահավաքման վրա։
Վերմոլեկուլային քիմիայում սա հատկապես արժեքավոր է, քանի որ շատ համակարգեր կախված են ձևավորման ուղուց։ Նույն մոլեկուլը կարող է հավաքվել տարբեր պոլիմորֆների մեջ՝ կախված էներգիայի ներմուծման հաջորդականությունից և ինտենսիվությունից, ջերմաստիճանից, կոնցենտրացիայից, լուծիչի բաղադրությունից և ժամանակից։ Ուլտրաձայնային մշակումը համակարգում մեխանիկական էներգիա ներմուծելու վերահսկելի եղանակ է ապահովում՝ առանց կառուցվածքային միավորի մոլեկուլային կառուցվածքը փոխելու։
Քիմիական ճարտարագետների համար սա վճռորոշ առավելություն է. ուլտրաձայնի կիրառումը կարելի է պարամետրավորել։ Ամպլիտուդը, հզորությունը, սոնոտրոդի և ռեակտորի երկրաչափությունը, ջերմաստիճանը, մնալու ժամանակը, ճնշումը և ծավալային հոսքի արագությունը կարելի է կարգավորել, վերահսկել և կիրառելիության փորձարկումներից տեղափոխել ավելի մեծ ծավալների մշակման գործընթացներ։

Ուլտրաձայնային մշակումը՝ որպես ինքնահավաքման վերահսկման գործիք

Ուսումնասիրությունն անդրադարձել է պերիլեն բիսիմիդի երկու էնանտիոմերային մոլեկուլներից կազմված ռացեմիկ խառնուրդի ինքնահավաքմանը։ Համապատասխան արտաքին ազդակի բացակայության դեպքում նման համակարգերը կարող են հետևել ագրեգացման նախընտրելի ուղուն կամ մնալ մետաստաբիլ վիճակներում։ Կիրառելով վերահսկվող ուլտրաձայնային մշակում՝ հետազոտողները կարողացել են ստանալ տարբեր սուպրամոլեկուլային արդյունքներ։
Հիմնական բացահայտումը պարզ է, բայց ազդեցիկ. ուլտրաձայնային մշակումը փոխել է ինքնահավաքման ուղին։ Որոշակի ջերմաստիճանների և կոնցենտրացիաների դեպքում հզոր ուլտրաձայնը նպաստել է մի ագրեգատային վիճակից մյուսին փոխակերպմանը։ Ուլտրաձայնային մշակման կինետիկ պայմաններում համակարգը ձևավորել է սուպրամոլեկուլային կոնգլոմերատ։ Ուլտրաձայնային մշակման թերմոդինամիկական պայմաններում այն ձևավորել է այլ մորֆոլոգիայով և ավելի բարձր կայունությամբ ռացեմիկ սուպրամոլեկուլային պոլիմեր։
Գիտական նշանակությունը հոմոխիրալ կամ հետերոխիրալ ագրեգացման գերակշռության վրա ազդելու հնարավորության մեջ է։ Արդյունաբերական նշանակությունն ավելի լայն գաղափարի մեջ է. ուլտրաձայնային մշակումը կարող է օգնել ուղղորդել մոլեկուլային կազմակերպումը, այլ ոչ միայն արագացնել մշակումը։

Սա արդիական է հետևյալ ոլորտների համար.

• սուպրամոլեկուլային պոլիմերներ և ֆունկցիոնալ օրգանական նյութեր
• խիրալ ագրեգացման և ռացեմատների բաժանման հետազոտություններ
• բյուրեղացում և պոլիմորֆ ձևերի սքրինինգ
• նանոմանրաթելերի, նանոձողերի և ներկանյութերի ագրեգատների ձևավորում
• բաղադրակազմերի մշակում և առաջադեմ նյութերի վերամշակում
• ուլտրաձայնի օժանդակությամբ քիմիական գործընթացների մասշտաբի մեծացում

Hielscher ուլտրաձայնային սարքերի դերը սուպրամոլեկուլային քիմիայում

Փորձարարական աշխատանքների ընթացքում ուլտրաձայնային մշակումն իրականացվել է Hielscher UP50H կոմպակտ լաբորատոր ուլտրաձայնային մշակիչով։ UP50H սարքը 50 W հզորությամբ և 30 kHz հաճախականությամբ զոնդային ուլտրաձայնային սարք է, որը նախատեսված է փոքր լաբորատոր նմուշների համար և կիրառվում է քիմիական, կենսաբանական, բժշկական ու անալիտիկ լաբորատորիաներում։ Hielscher ընկերությունը UP50H սարքը նկարագրում է որպես ձեռքում պահած կամ հենակին ամրացված վիճակում աշխատեցնելու, ինչպես նաև փոքր ծավալի նմուշների դիսպերգացման, լուծման, էմուլգացման և հոմոգենացման համար հարմար սարք։
Այս ուսումնասիրության մեջ UP50H սարքն ապահովել է սուպրամոլեկուլային ագրեգատների փոխակերպումը հարուցելու և ուղղորդելու համար անհրաժեշտ ուլտրաձայնային էներգիան։ Սա քիմիկոսների համար կարևոր գործնական հանգամանք է ցույց տալիս. փոքր ծավալների լաբորատոր ուլտրաձայնային մշակումը կարող է բացահայտել գործընթացի այնպիսի աշխատանքային տիրույթներ, որոնք այլապես դժվար է հայտնաբերել միայն խառնելու, տաքացնելու կամ պասիվ հնեցման միջոցով։
Ուստի սուպրամոլեկուլային քիմիայում UP50H սարքի նման զոնդային ուլտրաձայնային սարքերը կարող են կիրառվել ոչ միայն նմուշների նախապատրաստման համար, այլև որպես ակտիվ փորձարարական փոփոխական։ Փոխելով ուլտրաձայնային մշակման ջերմաստիճանն ու տևողությունը՝ հետազոտողները կարող են ուսումնասիրել կինետիկ և թերմոդինամիկական ռեժիմները, կատարել ագրեգացման ուղիների սքրինինգ և հայտնաբերել մետաստաբիլ կամ կայուն պոլիմորֆ ձևերը։
 

(R,R)- և (S,S)-PBI ձևերի ռացեմիկ խառնուրդի սպեկտրոսկոպիական ուսումնասիրություններ։ a՝ (R,R)- և (S,S)-PBI ձևերի քիմիական կառուցվածքները և այդ ձևերի ռացեմիկ խառնուրդի՝ ուլտրաձայնով հարուցված սուպրամոլեկուլային պոլիմերացման սխեմատիկ պատկերը՝ Con-Agg 1 և Con-Agg 2 կոնգլոմերատների և Rac-Agg 4 ռացեմիկ սուպրամոլեկուլային պոլիմերի առաջացմամբ։
Ուսումնասիրությունը և սխեման՝ ©Wehner et al., 2020

Լաբորատոր բացահայտումից մինչև մասշտաբի մեծացման հնարավորությամբ ուլտրաձայնային մշակում

Hielscher ուլտրաձայնային սարքերի կարևոր առավելություններից մեկը մշակման ամբողջ շղթայի համար ուլտրաձայնային սարքավորումների առկայությունն է՝ կոմպակտ լաբորատոր սարքերից մինչև սեղանի համակարգեր և արդյունաբերական ուլտրաձայնային պրոցեսորներ։ Hielscher ընկերությունն առաջարկում է հեղուկների մշակման համար նախատեսված ուլտրաձայնային սարքեր և զոնդեր՝ լաբորատոր մասշտաբից մինչև արտադրական մասշտաբ՝ կիրառություններով, որոնք ներառում են քիմիական մշակում, մասնիկների չափերի փոքրացում, էքստրակցիա, դիսպերգացում և հոմոգենացում։
Սա կարևոր է, քանի որ շատ խոստումնալից սոնոքիմիական կամ վերմոլեկուլային հետազոտությունների արդյունքներ չեն անցնում լաբորատոր սահմաններից այն կողմ, երբ գործընթացը հնարավոր չէ վերարտադրել ավելի մեծ մասշտաբով։ Ուլտրաձայնային գործընթացների մշակման նկատմամբ Hielscher ընկերության մոտեցումը հիմնված է վերահսկելի պարամետրերի և սարքավորումների՝ մասշտաբի մեծացման հնարավորություն ընձեռող կազմաձևերի վրա։ Ուլտրաձայնային գործընթացի արդյունավետ աշխատանքային տիրույթը որոշելուց հետո գործընթացը կարելի է տեղափոխել ավելի մեծ ուլտրաձայնային համակարգեր՝ պահպանելով էներգիայի համապատասխան ներմուծումը և մշակման պայմանները։
Արդյունաբերական օգտվողների համար սա նշանակում է, որ ուլտրաձայնային մշակումը կարելի է դիտարկել ոչ միայն որպես հետազոտական մեթոդ, այլև որպես գործընթացային տեխնոլոգիա։

Հոսքային ուլտրաձայնային մշակում՝ անընդհատ քիմիական մշակման համար

Պարբերական ուլտրաձայնային մշակումն օգտակար է լաբորատոր սկրինինգի և փոքր ծավալների մշակման օպտիմալացման համար։ Սակայն քիմիական արտադրությունը հաճախ պահանջում է անընդհատ աշխատանք, վերարտադրելիություն և սահմանված մնալու ժամանակներ։ Hielscher ուլտրաձայնային համակարգերն ապահովում են հոսքային ուլտրաձայնային մշակում, որի ընթացքում հեղուկները մղվում են ուլտրաձայնային հոսքային բջջի կամ ռեակտորի միջով և վերահսկվող պայմաններում ենթարկվում կավիտացիոն դաշտի ազդեցությանը։
Հոսքային ուլտրաձայնային մշակումը կարելի է իրականացնել մեկ անցման կամ վերաշրջանառության ռեժիմով՝ թույլ տալով, որ հեղուկը մեկ կամ մի քանի անգամ անցնի ուլտրաձայնային մշակման գոտու միջով։ Hielscher ընկերությունը նշում է, որ իր ուլտրաձայնային պրոցեսորները հասանելի են ինչպես պարբերական, այնպես էլ անընդհատ հոսքային մշակման համար՝ լաբորատոր և սեղանի սարքերից մինչև լիարժեք արդյունաբերական մասշտաբ։

Վերմոլեկուլային քիմիայի և քիմիական ճարտարագիտության համար հոսքային ուլտրաձայնային մշակումն առաջարկում է մի շարք առավելություններ՝

• կավիտացիոն գոտում վերահսկվող մնալու ժամանակ
• բարելավված վերարտադրելիություն՝ համեմատած պարբերական ռեժիմում չվերահսկվող խառնման հետ
• ջերմային ռեժիմի ավելի լավ կառավարում՝ հոսքային բջիջների և արտաքին հովացման միջոցով
• ավելի մեծ ծավալների անընդհատ մշակում
• ավելի հեշտ ինտեգրում առկա քիմիական արտադրական գծերին
• մշակման ինտենսիվության մասշտաբը մեծացնելու հնարավորություն՝ հոսքի ծավալային արագության, ամպլիտուդի և ռեակտորի կազմաձևի կարգավորմամբ

Ընթացքի ուղուց կախված քիմիական գործընթացներում այս պարամետրերը կարող են վճռորոշ լինել։ Եթե վերմոլեկուլային համակարգը կարճատև, ինտենսիվ ուլտրաձայնային մշակմանն արձագանքում է այլ կերպ, քան երկարատև մեղմ ուլտրաձայնային մշակմանը, ապա հոսքային մշակումն ապահովում է այդ ազդեցությունը սահմանելու և վերարտադրելու ինժեներական հիմքը։

Մասշտաբի գծային մեծացում՝ սոնոքիմիական սկրինինգից մինչև արտադրություն

Hielscher ուլտրաձայնային տեխնոլոգիան նախատեսված է մասշտաբի մեծացման համար՝ լաբորատոր փորձարկումներից մինչև արդյունաբերական մշակում։ Մեծ համակարգերի համար գործընթացի այնպիսի պարամետրեր, ինչպիսիք են ամպլիտուդը, ճնշումը և ջերմաստիճանը, կարելի է օպտիմալացնել ավելի փոքր կայանքներում, այնուհետև տեղափոխել ավելի բարձր արտադրողականությամբ սարքավորումներ։ Hielscher ընկերությունը նշում է, որ պարամետրերի օպտիմալ կազմաձևը որոշելուց հետո ուլտրաձայնային գործընթացի արդյունավետությունը ենթակա է մասշտաբի գծային մեծացման։
Մասշտաբի գծային մեծացման այս հնարավորությունը հատկապես կարևոր է զգայուն վերմոլեկուլային համակարգերի հետ աշխատող քիմիկոսների և տեխնոլոգիական գործընթացների ինժեներների համար։ Ինքնահավաքված նյութերը հաճախ կախված են գործընթացի աշխատանքային նեղ տիրույթներից։ Խառնման ինտենսիվության, մնալու ժամանակի, ջերմաստիճանային պրոֆիլի կամ էներգիայի խտության փոփոխությունը կարող է փոխել արտադրանքի մորֆոլոգիան։ Մասշտաբի մեծացման հնարավորություն ընձեռող ուլտրաձայնային համակարգերն օգնում են նվազեցնել այս ռիսկը՝ պահպանելով ուլտրաձայնային մշակման սահմանված պայմանները, երբ գործընթացը միլիլիտրերից անցնում է լիտրերի և, ի վերջո, արտադրական մասշտաբի հոսքի ծավալային արագությունների։
Hielscher ընկերությունը նաև առաջարկում է արդյունաբերական հոսքային ռեակտորներ, օրինակ՝ MultiSonoReactor, բարձր արտադրողականությամբ հոսքային ուլտրաձայնային մշակման համար։ Այս համակարգերը նախատեսված են այնպիսի կիրառությունների համար, ինչպիսիք են հոմոգենացումը, խառնումը, դիսպերգացումը, էքստրակցիան և սոնոքիմիական ռեակցիաները։

Ուլտրաձայնով սինթեզված վերմոլեկուլային պոլիմորֆների գիտական և արդյունաբերական նշանակությունը

Ուլտրաձայնով կառավարվող վերմոլեկուլային պոլիմորֆիզմի վերաբերյալ ուսումնասիրությունը կարևոր է, քանի որ ցույց է տալիս, թե ինչպես կարելի է քիմիայում ուլտրաձայնային ազդեցություններն օգտագործել նույն մոլեկուլային համակարգից նյութի տարբեր վիճակներ ստանալու համար։ Մոլեկուլը փոխելու փոխարեն հետազոտողները փոխել են գործընթացի պայմանները։ Հենց այս հանգամանքն է ուլտրաձայնային մշակումը գրավիչ դարձնում արդյունաբերական քիմիայի համար. այն կարող է բարելավել արդյունքները գործընթացի ինտենսիվացման միջոցով՝ լրացուցիչ սինթեզի փուլերի փոխարեն։
Գիտական հետազոտությունների համար այս արդյունքները նպաստում են քիրալային ինքնահավաքման, կինետիկական թակարդում հայտնվելու, թերմոդինամիկական կառավարման և վերմոլեկուլային էներգետիկ լանդշաֆտների ավելի խոր ըմբռնմանը։ Արդյունաբերության համար նույն սկզբունքները կարող են նպաստել պոլիմորֆների ավելի արդյունավետ սկրինինգին, ֆունկցիոնալ նյութերի ավելի արագ մշակմանը, ագրեգատների մորֆոլոգիայի ավելի լավ կառավարմանը և բարդ քիմիական համակարգերի ավելի վերարտադրելի մշակմանը։

Գործնական առումով ուլտրաձայնային մշակումը կարող է օգնել քիմիկոսներին և քիմիական ինժեներներին՝

• արագացնել ինքնահավաքման փոխակերպումները
• նպաստել այլ կերպ անհասանելի ագրեգացման ուղիների իրականացմանը
• բարելավել վերարտադրելիությունն այն համակարգերում, որոնց վարքը կախված է ընթացքի ուղուց
• նվազեցնել հավասարակշռման երկար ժամանակներից կախվածությունը
• իրականացնել արտադրանքի կինետիկական և թերմոդինամիկական վիճակների սկրինինգ
• խոստումնալից լաբորատոր արդյունքները տեղափոխել հոսքային գործընթացներ

Ուլտրաձայնային մշակումը՝ որպես նոր հնարավորություններ ընձեռող տեխնոլոգիա

Բարձր հզորության ուլտրաձայնը վերմոլեկուլային քիմիայի համար նոր հնարավորություններ ընձեռող տեխնոլոգիա է։ Ակուստիկ էներգիայի վերահսկվող ներմուծումը կարող է ազդել բարդ համակարգերի մոլեկուլային կազմակերպման վրա և հնարավորություն ընձեռել ստանալու կառուցվածքներ, որոնք դժվար է ստանալ միայն սովորական խառնմամբ կամ ջերմային մշակմամբ։
Մեջբերված ուսումնասիրությունը Hielscher UP50H սարքի կիրառմամբ ցույց է տալիս ճշգրիտ լաբորատոր ուլտրաձայնային մշակման արժեքը հիմնարար վերմոլեկուլային հետազոտությունների համար։ Hielscher ընկերության ավելի խոշոր սեղանադիր և արդյունաբերական ուլտրաձայնային սարքերի միջոցով նույն տեխնոլոգիական հարթակի կիրառությունը կարող է ընդլայնվել դեպի գործընթացի օպտիմալացում, հոսքային մշակում և մասշտաբի գծային մեծացում։
Քիմիկոսների համար սա նոր փորձարարական ուղիներ է բացում ինքնահավաքման և պոլիմորֆների կառավարման ոլորտում։ Քիմիական ինժեներների համար այն ապահովում է մասշտաբը մեծացնելու հնարավորություն ունեցող գործընթացային գործիք՝ քիմիայում ուլտրաձայնային ազդեցությունները հուսալի արտադրական ռազմավարությունների վերածելու համար։

Ստորև բերված աղյուսակը պատկերացում է տալիս մեր ուլտրաձայնային սարքերի մոտավոր մշակման արտադրողականության մասին.

Նախագծում, արտադրություն և խորհրդատվություն – Գերմանիայում ստեղծված որակ

Hielscher ուլտրաձայնային սարքերը հայտնի են իրենց որակի և նախագծման ամենաբարձր չափանիշներով։ Ամրությունն ու շահագործման պարզությունը թույլ են տալիս մեր ուլտրաձայնային սարքերը սահուն ինտեգրել արդյունաբերական կայանքներում։ Hielscher ուլտրաձայնային սարքերը հեշտությամբ դիմակայում են ծանր պայմաններին և խստապահանջ միջավայրերին։

Hielscher Ultrasonics ընկերությունն ունի ISO հավաստագրում և հատուկ ուշադրություն է դարձնում բարձր արտադրողականությամբ ուլտրաձայնային սարքերին, որոնք առանձնանում են գերժամանակակից տեխնոլոգիայով և օգտագործման հարմարավետությամբ։ Իհարկե, Hielscher ուլտրաձայնային սարքերը համապատասխանում են CE պահանջներին և բավարարում են հետևյալների պահանջները՝ UL, CSA և RoHs։

Գրականություն / Հղումներ

• 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.