La sonicazione apre nuove strade nella chimica supramolecolare

La chimica supramolecolare si basa su interazioni deboli e reversibili: legami idrogeno, impilamento π–π, forze di van der Waals, effetti solvofobici e riconoscimento chirale. Queste interazioni consentono alle molecole di autoorganizzarsi in strutture più grandi quali fibre, bastoncini, gel, aggregati e polimeri supramolecolari. Per i chimici e gli ingegneri chimici, la sfida non consiste solo nel formare tali strutture, ma anche nel controllare quale struttura si formi, con quale velocità si formi e se rimanga intrappolata cineticamente o raggiunga lo stato termodinamicamente più stabile.

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

Uno studio scientifico condotto da Wehner et al. (2020) e 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 perilene bisimmide e hanno dimostrato che la sonicazione può guidare la formazione di distinti polimorfi supramolecolari. A seconda delle condizioni ultrasoniche, il sistema ha prodotto diverse strutture autoassemblate, tra cui conglomerati controllati cineticamente e un polimero supramolecolare racemico termodinamicamente stabile. Lo studio ha utilizzato specificatamente un processore ultrasonico Hielscher UP50H per la sonificazione, operante a 30 kHz, 50 W e con un’ampiezza del 100%.
Questo risultato è di grande rilevanza per la chimica dei materiali moderna, poiché 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 ultrasonici sono importanti in chimica

Gli effetti degli ultrasuoni in chimica sono causati principalmente dalla cavitazione acustica. Quando si introducono ultrasuoni ad alta intensità in un liquido, i cicli alternati di pressione generano microscopiche bolle di cavitazione. La loro crescita e il loro collasso producono condizioni localizzate ad alta energia, microcorrenti intense, forti gradienti di taglio e un efficiente trasferimento di massa. Nei processi chimici e relativi ai materiali, questi effetti possono influenzare la nucleazione, l’aggregazione, la formazione di particelle, la dispersione, la cristallizzazione e l’autoassemblaggio.
Nella chimica supramolecolare, ciò risulta particolarmente utile poiché molti sistemi dipendono dal percorso di reazione. La stessa molecola può assemblarsi in diversi polimorfi a seconda dell’ordine e dell’intensità dell’apporto energetico, della temperatura, della concentrazione, della composizione del solvente e del tempo. La sonicazione offre un metodo controllabile per introdurre energia meccanica nel sistema senza alterare la struttura molecolare del componente di base.
Per gli ingegneri chimici, questo rappresenta 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 dai test di fattibilità a volumi di lavorazione più elevati.

La sonicazione come strumento per il controllo dell’autoassemblaggio

Lo studio ha esaminato l'autoassemblaggio di una miscela racemica di due molecole enantiomeriche di perilene bisimmide. In assenza dello stimolo esterno adeguato, tali sistemi possono seguire un percorso di aggregazione preferenziale oppure rimanere intrappolati in stati metastabili. Applicando un trattamento ultrasonico controllato, i ricercatori sono riusciti a ottenere diversi risultati supramolecolari.
Il risultato chiave è semplice ma significativo: la sonicazione ha modificato il percorso di autoassemblaggio. A determinate temperature e concentrazioni, gli ultrasuoni ad alta potenza hanno favorito la trasformazione da uno stato aggregato a un altro. In condizioni di sonicazione cinetica, il sistema ha formato un conglomerato supramolecolare. In condizioni di sonicazione termodinamica, ha formato un polimero supramolecolare racemico con una morfologia diversa e una maggiore stabilità.
L'impatto scientifico risiede nella capacità di determinare se prevalga l'aggregazione omochirale o quella eterochirale. L'impatto industriale risiede in un concetto più ampio: la sonicazione può contribuire a orientare l'organizzazione molecolare, non solo ad accelerare il processo.

Questo riguarda:

• polimeri supramolecolari e materiali organici funzionali
• ricerca sull'aggregazione chirale e sulla risoluzione dei racemati
• cristallizzazione e screening dei polimorfismi
• formazione di nanofibre, nanobastoncini e aggregati di colorante
• sviluppo di formulazioni e lavorazione avanzata dei materiali
• scalabilità dei processi chimici assistiti da ultrasuoni

Il ruolo dei sonicatori Hielscher nella chimica supramolecolare

Per il lavoro sperimentale, il trattamento ultrasonico è stato effettuato con l’Hielscher UP50H, un processore ultrasonico da laboratorio compatto. L’UP50H è un sonicatore a sonda da 50 W e 30 kHz progettato per piccoli campioni da laboratorio e viene utilizzato nei laboratori chimici, biologici, medici e analitici. Hielscher descrive l’UP50H come adatto all’uso manuale o su supporto e per operazioni quali la dispersione, la dissoluzione, l’emulsificazione e l’omogeneizzazione di piccoli volumi di campione.
In questo studio, l’UP50H ha fornito l’energia ultrasonica necessaria per innescare e guidare la trasformazione degli aggregati supramolecolari. Ciò evidenzia un importante aspetto pratico per i chimici: la sonicazione in laboratorio su piccoli volumi può rivelare finestre di processo che sarebbero altrimenti difficili da identificare ricorrendo esclusivamente all’agitazione, al riscaldamento o all’invecchiamento passivo.
Nel campo della chimica supramolecolare, i sonicatori a sonda come l’UP50H possono quindi essere utilizzati non solo 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, vagliare i percorsi di aggregazione e identificare 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 da ultrasuoni della miscela racemica di (R,R)- e (S,S)-PBI in 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 alla lavorazione a ultrasuoni su larga scala

Uno dei principali vantaggi 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 a quella di produzione, con applicazioni che includono la lavorazione chimica, la riduzione delle dimensioni delle particelle, l’estrazione, la dispersione e l’omogeneizzazione.
Questo aspetto è importante perché molte scoperte promettenti nel campo della sonochimica o della chimica supramolecolare non riescono ad andare oltre la fase di laboratorio quando il processo non può essere riprodotto su scala più ampia. L’approccio di Hielscher allo sviluppo dei processi a ultrasuoni si basa su parametri controllabili e configurazioni delle 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 lavorazione pertinenti.
Per gli utenti industriali, ciò significa che la sonicazione può essere considerata non solo come un metodo di ricerca, ma anche come una tecnologia di processo.

Sonificazione in linea per la lavorazione chimica in continuo

La sonicazione in batch è utile per lo screening di 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, in cui 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 effettuata in modalità a passaggio singolo o in modalità a ricircolo, consentendo al liquido di passare una o più volte attraverso la zona di trattamento ultrasonico. Hielscher afferma che i propri processori ultrasonici sono disponibili sia per la lavorazione in batch che per quella continua in linea, dalle unità da laboratorio e da banco fino alla scala industriale completa.

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 non controllata dei lotti
• migliore gestione del calore grazie alle celle a flusso e al raffreddamento esterno
• lavorazione in continuo per volumi maggiori
• maggiore facilità di integrazione nelle linee di produzione chimica esistenti
• intensità di trattamento regolabile tramite la regolazione della portata, dell'ampiezza e della configurazione del reattore

Nella chimica dipendente dai percorsi, questi parametri possono essere determinanti. Se un sistema supramolecolare reagisce in modo diverso a una sonicazione breve e intensa rispetto a una sonicazione prolungata e delicata, il trattamento in linea offre il quadro ingegneristico necessario per definire e riprodurre tale esposizione.

Scalabilità lineare: dallo screening sonochimico alla produzione

La tecnologia a ultrasuoni Hielscher è progettata per il passaggio dalla fase di sperimentazione in laboratorio alla lavorazione industriale. Per i sistemi di grandi dimensioni, i parametri di processo quali ampiezza, pressione e temperatura possono essere ottimizzati in configurazioni più piccole e successivamente trasferiti ad apparecchiature con una maggiore capacità produttiva. Hielscher descrive l’efficienza del processo a ultrasuoni come linearmente scalabile una volta identificata la configurazione ottimale dei parametri.
Questa capacità di scalabilità 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 molto 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 man mano che il processo passa da millilitri a litri e, infine, a portate su scala di produzione.
Hielscher offre inoltre reattori industriali in linea, come il MultiSonoReactor, per la sonicazione in linea ad alta produttività. Questi sistemi sono progettati per applicazioni quali l'omogeneizzazione, la miscelazione, la dispersione, l'estrazione e le 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 della materia a partire dallo stesso sistema molecolare. Anziché modificare la molecola, i ricercatori hanno modificato le condizioni di processo. È proprio questo l’aspetto che rende la sonicazione interessante per la chimica industriale: essa può migliorare i risultati attraverso l’intensificazione del processo anziché ricorrendo a fasi sintetiche aggiuntive.
Per quanto riguarda la ricerca scientifica, questi 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 più efficace dei polimorfismi, uno sviluppo più rapido di materiali funzionali, un migliore controllo sulla morfologia degli aggregati e una lavorazione più riproducibile dei sistemi chimici avanzati.

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

• accelerare le trasformazioni di autoassemblaggio
• promuovere vie di aggregazione altrimenti inaccessibili
• migliorare la riproducibilità nei sistemi dipendenti dai percorsi metabolici
• ridurre la dipendenza da lunghi tempi di equilibratura
• visualizzare gli stati cinetici e termodinamici dei prodotti
• trasformare i risultati promettenti ottenuti in laboratorio in processi di linea

Il trattamento a ultrasuoni come tecnologia abilitante

Gli ultrasuoni ad alta potenza rappresentano 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 difficilmente realizzabili ricorrendo esclusivamente all’agitazione convenzionale o al trattamento termico.
Con l’UP50H di Hielscher, lo studio citato dimostra l’importanza di una sonicazione di laboratorio precisa per la ricerca fondamentale nel campo della chimica supramolecolare. Con i sonicatori da banco e industriali di dimensioni maggiori di Hielscher, la stessa piattaforma tecnologica può essere estesa all’ottimizzazione dei processi, al trattamento in linea e al scale-up lineare.
Per i chimici, ciò apre nuove strade sperimentali nel campo dell’autoassemblaggio e del controllo dei polimorfismi. Per gli ingegneri chimici, offre uno strumento di processo scalabile per tradurre gli effetti degli ultrasuoni in chimica in strategie di produzione affidabili.

La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasonori:

Progettazione, produzione e consulenza – Qualità Made in Germany

Gli ultrasuoni Hielscher sono noti per i loro elevati standard di qualità e design. La robustezza e la facilità d'uso consentono un'agevole integrazione dei nostri ultrasuoni negli impianti industriali. Gli ultrasuonatori Hielscher sono in grado di gestire facilmente condizioni difficili e ambienti impegnativi.

Hielscher Ultrasonics è un'azienda certificata ISO e pone particolare enfasi sugli ultrasuonatori ad alte prestazioni, caratterizzati da tecnologia all'avanguardia e facilità d'uso. Naturalmente, gli ultrasuoni Hielscher sono conformi alla normativa CE e soddisfano i requisiti UL, CSA e RoH.

Letteratura / Riferimenti