La sonicazione apre nuove vie nella chimica supramolecolare

La chimica supramolecolare si basa su interazioni deboli e reversibili: legami a idrogeno, impilamento π–π, forze di van der Waals, effetti solvofobici e riconoscimento chirale. Queste interazioni consentono alle molecole di auto-organizzarsi in architetture più grandi, quali fibre, bastoncelli, gel, aggregati e polimeri supramolecolari. Per i chimici e gli ingegneri chimici, la sfida non consiste soltanto nel formare tali strutture, ma nel controllare quale struttura si forma, quanto rapidamente si forma e se rimane intrappolata cineticamente o raggiunge lo stato termodinamicamente più stabile.

Effetti degli ultrasuoni in chimica: la sonicazione controlla l’autoassemblaggio supramolecolare

Uno studio scientifico di Wehner et al. (2020), pubblicato su Nature Communications, dimostra che la sonicazione può essere utilizzata come potente stimolo esterno per controllare i percorsi di autoassemblaggio nella chimica supramolecolare. I ricercatori hanno studiato una miscela racemica di molecole chirali di bisimmide del perilene e hanno dimostrato che la sonicazione poteva guidare la formazione di distinti polimorfi supramolecolari. A seconda delle condizioni di sonicazione, il sistema ha prodotto diverse strutture autoassemblate, tra cui conglomerati sotto controllo cinetico e un polimero supramolecolare racemico termodinamicamente stabile. Lo studio ha utilizzato esplicitamente un processore a ultrasuoni Hielscher UP50H per la sonicazione, operante a 30 kHz, 50 W e un’ampiezza del 100%.
Questo risultato è di grande rilevanza per la moderna chimica dei materiali, perché dimostra che gli ultrasuoni non sono semplicemente uno strumento di miscelazione o dispersione. In condizioni ben definite, la sonicazione può fungere da parametro di processo per il controllo dei percorsi molecolari.

Perché gli effetti degli ultrasuoni sono importanti in chimica

Gli effetti degli ultrasuoni in chimica sono causati principalmente dalla cavitazione acustica. Quando gli ultrasuoni ad alta intensità vengono introdotti in un liquido, cicli alternati di pressione generano microscopiche bolle di cavitazione. La loro crescita e il loro collasso producono condizioni localizzate ad alta energia, intense microcorrenti, forti gradienti di taglio e un efficiente trasferimento di massa. Nei processi chimici e di lavorazione dei materiali, questi effetti possono influenzare la nucleazione, l’aggregazione, la formazione di particelle, la dispersione, la cristallizzazione e l’autoassemblaggio.
Nella chimica supramolecolare, ciò è particolarmente utile perché molti sistemi dipendono dal percorso seguito. La stessa molecola può assemblarsi in diversi polimorfi a seconda della sequenza e dell’intensità dell’apporto energetico, della temperatura, della concentrazione, della composizione del solvente e del tempo. La sonicazione offre un modo controllabile per introdurre energia meccanica nel sistema senza modificare la struttura molecolare dell’unità costitutiva.
Per gli ingegneri chimici, questo è un vantaggio decisivo: gli ultrasuoni possono essere parametrizzati. L’ampiezza, la potenza, la geometria del sonotrodo e del reattore, la temperatura, il tempo di permanenza, la pressione e la portata possono essere regolati, monitorati e trasferiti dalle prove di fattibilità a volumi di trattamento maggiori.

La sonicazione come strumento per il controllo dell’autoassemblaggio

Lo studio ha esaminato l’autoassemblaggio di una miscela racemica di due molecole enantiomeriche di bisimmide del perilene. In assenza dello stimolo esterno appropriato, questi sistemi possono seguire un percorso di aggregazione preferenziale o rimanere intrappolati in stati metastabili. Applicando una sonicazione controllata, i ricercatori sono riusciti a ottenere diversi esiti supramolecolari.
Il risultato principale è semplice ma significativo: la sonicazione ha modificato il percorso di autoassemblaggio. A temperature e concentrazioni specifiche, gli ultrasuoni di potenza hanno promosso la trasformazione da uno stato di aggregazione a un altro. In condizioni di sonicazione sotto controllo cinetico, il sistema ha formato un conglomerato supramolecolare. In condizioni di sonicazione sotto controllo termodinamico, ha formato un polimero supramolecolare racemico con una morfologia diversa e una maggiore stabilità.
L’impatto scientifico risiede nella possibilità di influenzare la predominanza dell’aggregazione omochirale o eterochirale. L’impatto industriale risiede nel concetto più ampio: la sonicazione può contribuire a orientare l’organizzazione molecolare, oltre ad accelerare il trattamento.

Ciò è rilevante per:

• polimeri supramolecolari e materiali organici funzionali
• ricerca sull’aggregazione chirale e sulla risoluzione dei racemati
• cristallizzazione e screening dei polimorfi
• formazione di nanofibre, nanobastoncelli e aggregati di coloranti
• sviluppo di formulazioni e lavorazione di materiali avanzati
• aumento di scala dei processi chimici assistiti da ultrasuoni

Il ruolo dei sonicatori Hielscher nella chimica supramolecolare

Per il lavoro sperimentale, la sonicazione è stata eseguita con Hielscher UP50H, un processore a ultrasuoni compatto da laboratorio. UP50H è un sonicatore a sonda da 50 W e 30 kHz, progettato per piccoli campioni di laboratorio e utilizzato nei laboratori chimici, biologici, medici e analitici. Hielscher descrive UP50H come adatto all’uso manuale o montato su stativo e a operazioni quali dispersione, dissoluzione, emulsificazione e omogeneizzazione di piccoli volumi di campione.
In questo studio, UP50H ha fornito l’energia ultrasonica necessaria per innescare e guidare la trasformazione degli aggregati supramolecolari. Ciò illustra un importante aspetto pratico per i chimici: la sonicazione di piccoli volumi in laboratorio può rivelare finestre di processo altrimenti difficili da individuare mediante la sola agitazione, il solo riscaldamento o il solo invecchiamento passivo.
Per la chimica supramolecolare, i sonicatori a sonda come UP50H possono quindi essere utilizzati non soltanto per la preparazione dei campioni, ma anche come variabile sperimentale attiva. Modificando la temperatura e la durata della sonicazione, i ricercatori possono studiare i regimi cinetici e termodinamici, effettuare lo screening dei percorsi di aggregazione e individuare polimorfi metastabili o stabili.
 

Studi spettroscopici della miscela racemica di (R,R)- e (S,S)-PBI. a Strutture chimiche di (R,R)- e (S,S)-PBI e rappresentazione schematica della polimerizzazione supramolecolare indotta dagli ultrasuoni della miscela racemica di (R,R)- e (S,S)-PBI nei conglomerati Con-Agg 1 e Con-Agg 2 e nel polimero supramolecolare racemico Rac-Agg 4.
Studio e schema: ©Wehner et al., 2020

Dalla scoperta in laboratorio al trattamento a ultrasuoni scalabile

Un importante vantaggio dei sonicatori Hielscher è la disponibilità di apparecchiature a ultrasuoni lungo l’intera catena di sviluppo: dai dispositivi compatti da laboratorio ai sistemi da banco e ai processori a ultrasuoni industriali. Hielscher offre sonicatori e sonde per il trattamento dei liquidi dalla scala di laboratorio alla scala produttiva, con applicazioni che comprendono il trattamento chimico, la riduzione delle dimensioni delle particelle, l’estrazione, la dispersione e l’omogeneizzazione.
Questo è importante perché molti risultati promettenti in sonochimica o chimica supramolecolare non riescono a superare la fase di laboratorio quando il processo non può essere riprodotto su scala maggiore. L’approccio di Hielscher allo sviluppo dei processi a ultrasuoni si basa su parametri controllabili e configurazioni di apparecchiature scalabili. Una volta individuata una finestra di processo a ultrasuoni efficace, il processo può essere trasferito a sistemi a ultrasuoni più grandi mantenendo l’apporto energetico e le condizioni di trattamento pertinenti.
Per gli utilizzatori industriali, ciò significa che la sonicazione può essere considerata non soltanto un metodo di ricerca, ma anche una tecnologia di processo.

Sonicazione in linea per il trattamento chimico continuo

La sonicazione in batch è utile per lo screening in laboratorio e l’ottimizzazione su piccoli volumi. Tuttavia, la produzione chimica richiede spesso un funzionamento continuo, riproducibilità e tempi di permanenza definiti. I sistemi a ultrasuoni Hielscher supportano la sonicazione in linea, nella quale i liquidi vengono pompati attraverso una cella di flusso o un reattore a ultrasuoni ed esposti al campo di cavitazione in condizioni controllate.
La sonicazione in linea può essere eseguita in modalità a passaggio singolo o a ricircolo, consentendo al liquido di attraversare una o più volte la zona di trattamento a ultrasuoni. Hielscher dichiara che i propri processori a ultrasuoni sono disponibili sia per il trattamento in batch sia per il trattamento continuo in linea, dalle unità da laboratorio e da banco fino alla piena scala industriale.

Per la chimica supramolecolare e l’ingegneria chimica, la sonicazione in linea offre diversi vantaggi:

• tempo di permanenza controllato nella zona di cavitazione
• maggiore riproducibilità rispetto all’agitazione in batch non controllata
• migliore gestione del calore mediante celle di flusso e raffreddamento esterno
• trattamento continuo per volumi maggiori
• integrazione più semplice nelle linee di produzione chimica esistenti
• intensità di trattamento scalabile mediante la regolazione della portata, dell’ampiezza e della configurazione del reattore

Nella chimica dipendente dal percorso seguito, questi parametri possono essere cruciali. Se un sistema supramolecolare risponde in modo diverso a una sonicazione breve e intensa rispetto a una sonicazione prolungata e blanda, il trattamento in linea fornisce il quadro ingegneristico per definire e riprodurre tale esposizione.

Aumento di scala lineare: dallo screening sonochimico alla produzione

La tecnologia a ultrasuoni Hielscher è progettata per l’aumento di scala dalle prove di laboratorio al trattamento industriale. Per i sistemi di grandi dimensioni, parametri di processo quali ampiezza, pressione e temperatura possono essere ottimizzati in configurazioni più piccole e poi trasferiti ad apparecchiature con maggiore capacità di trattamento. Hielscher descrive l’efficienza dei processi a ultrasuoni come scalabile linearmente dopo l’individuazione della configurazione ottimale dei parametri.
Questa capacità di aumento di scala lineare è particolarmente importante per i chimici e gli ingegneri di processo che lavorano con sistemi supramolecolari sensibili. I materiali autoassemblati dipendono spesso da finestre di processo ristrette. Una variazione dell’intensità di miscelazione, del tempo di permanenza, del profilo di temperatura o della densità energetica può alterare la morfologia del prodotto. I sistemi a ultrasuoni scalabili contribuiscono a ridurre questo rischio mantenendo condizioni di sonicazione definite mentre il processo passa dai millilitri ai litri e, infine, alle portate della scala produttiva.
Hielscher offre anche reattori industriali in linea, come MultiSonoReactor, per la sonicazione in linea ad alta capacità di trattamento. Questi sistemi sono progettati per applicazioni che comprendono omogeneizzazione, miscelazione, dispersione, estrazione e reazioni sonochimiche.

Rilevanza scientifica e industriale dei polimorfi supramolecolari sintetizzati mediante ultrasuoni

Lo studio sul polimorfismo supramolecolare controllato dagli ultrasuoni è significativo perché dimostra come gli effetti degli ultrasuoni in chimica possano essere utilizzati per ottenere diversi stati del materiale a partire dallo stesso sistema molecolare. Anziché modificare la molecola, i ricercatori hanno modificato le condizioni di processo. È proprio questo che rende la sonicazione interessante per la chimica industriale: può migliorare i risultati attraverso l’intensificazione del processo anziché mediante ulteriori fasi di sintesi.
Per la ricerca scientifica, i risultati contribuiscono a una comprensione più approfondita dell’autoassemblaggio chirale, dell’intrappolamento cinetico, del controllo termodinamico e dei paesaggi energetici supramolecolari. Per l’industria, gli stessi principi possono favorire uno screening migliore dei polimorfi, uno sviluppo più rapido di materiali funzionali, un migliore controllo della morfologia degli aggregati e un trattamento più riproducibile dei sistemi chimici avanzati.

In termini pratici, la sonicazione può aiutare i chimici e gli ingegneri chimici a:

• accelerare le trasformazioni di autoassemblaggio
• promuovere percorsi di aggregazione altrimenti inaccessibili
• migliorare la riproducibilità nei sistemi dipendenti dal percorso seguito
• ridurre la dipendenza da lunghi tempi di equilibratura
• effettuare lo screening degli stati del prodotto sotto controllo cinetico e termodinamico
• trasferire risultati promettenti di laboratorio a processi in linea

Il trattamento a ultrasuoni come tecnologia abilitante

Gli ultrasuoni di potenza sono una tecnologia abilitante per la chimica supramolecolare. L’apporto controllato di energia acustica può influenzare l’organizzazione molecolare di sistemi complessi e consentire di ottenere strutture difficili da produrre mediante la sola agitazione convenzionale o il solo trattamento termico.
Con Hielscher UP50H, lo studio citato dimostra il valore di una sonicazione precisa in laboratorio per la ricerca supramolecolare fondamentale. Con i sonicatori Hielscher da banco e industriali di maggiori dimensioni, la stessa piattaforma tecnologica può essere estesa all’ottimizzazione del processo, al trattamento in linea e all’aumento di scala lineare.
Per i chimici, questo apre nuove vie sperimentali nell’autoassemblaggio e nel controllo dei polimorfi. Per gli ingegneri chimici, fornisce uno strumento di processo scalabile per tradurre gli effetti degli ultrasuoni in chimica in strategie produttive affidabili.

La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori:

Progettazione, produzione e consulenza – Qualità Made in Germany

I sonicatori Hielscher sono noti per i loro elevatissimi standard di qualità e progettazione. La robustezza e la semplicità d’uso consentono un’integrazione agevole dei nostri sonicatori negli impianti industriali. I sonicatori Hielscher affrontano facilmente condizioni difficili e ambienti impegnativi.

Hielscher Ultrasonics è un’azienda certificata ISO e pone particolare attenzione ai sonicatori ad alte prestazioni, caratterizzati da tecnologia all’avanguardia e facilità d’uso. Naturalmente, i sonicatori Hielscher sono conformi ai requisiti CE e soddisfano i requisiti di UL, CSA e RoHs.

Letteratura / Riferimenti

• 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.