Strutture supramolecolari assemblate tramite sonicazione
La sonicazione è uno strumento potente e versatile nella chimica supramolecolare, che consente un controllo preciso dei processi di assemblaggio non covalente, spesso sensibili ai parametri cinetici e termodinamici. L'applicazione di ultrasuoni di potenza a un mezzo liquido influisce sulle interazioni molecolari, accelerando l'autoassemblaggio, migliorando la miscelazione e promuovendo la riorganizzazione strutturale su scala nanometrica.
Come la sonicazione influenza l'assemblaggio supramolecolare
Nei sistemi supramolecolari, dove le interazioni deboli come il legame a idrogeno, lo stacking π-π, la coordinazione metallica e le forze di van der Waals governano la formazione della struttura, gli ultrasuoni possono influenzare selettivamente i percorsi di assemblaggio. Permette la nucleazione omogenea, favorisce la dispersione dei blocchi di costruzione e facilita la formazione di architetture metastabili o cineticamente intrappolate, spesso inaccessibili in condizioni convenzionali. Inoltre, la sonicazione può modulare l'equilibrio tra gli stati assemblati e disassemblati, offrendo un mezzo dinamico per controllare i sistemi supramolecolari reversibili.
Al di là dei suoi effetti fisici, la sonochemica offre un approccio ecologico ed efficiente dal punto di vista energetico. – spesso eseguiti in condizioni di assenza di solventi o in condizioni blande – che la rende interessante per la sintesi di gel supramolecolari, nanofibre, complessi ospite-ospite e nanostrutture ibride. Di conseguenza, la sonicazione non è solo una tecnica di preparazione del campione, ma anche un motore meccanochimico centrale nella progettazione e nel trattamento razionale dei materiali supramolecolari.
Sonicator UP400St per la sintesi efficiente di strutture supramolecolari
Sintesi di supramolecole promossa dagli ultrasuoni
La sonicazione può guidare la formazione, la stabilizzazione o la trasformazione di un'ampia gamma di sistemi supramolecolari attraverso la cavitazione acustica, i gradienti di taglio transitori e gli impatti dei microgetti. Le seguenti categorie illustrano strutture tipiche ottenute o influenzate dall'autoassemblaggio assistito da ultrasuoni:
- Complessi supramolecolari ospite-ospite
Complessi di inclusione di ciclodestrina
Sistemi ospite-ospite basati sulla cucurbiturina
Assemblaggi di calixarene e pillar[5]arene
Molecole meccanicamente interconnesse (rotaxani, catenani) - Ossido di grafene supramolecolare e ibridi 2D
- Complessi π-π impilati di ossido di grafene-cromofori
- Ibridi supramolecolari di ossido di grafene e polimero
- Funzionalizzazione non covalente con porfirine, fullereni o peptidi
- Nanofibre e nanotubi supramolecolari
- Nanofibre peptidiche anfifiliche
- Nanofibre coniugate con π (ad esempio, derivati di perilene bisimide, porfirina o cianina).
- Nanotubi legati all'idrogeno o impilati π-π
- Gel supramolecolari (Sonogel)
- Organogel e idrogel innescati o stabilizzati dagli ultrasuoni
- Transizioni sol-gel indotte tramite riscaldamento localizzato e taglio
- Reti supramolecolari reversibili (a legame H, metallo-ligando o ionico)
- Aggregati e conglomerati supramolecolari
- Micelle e vescicole formate da molecole anfifiliche
- Coacervati e assemblaggi colloidali
- Conglomerati chirali e assemblaggi polimorfi influenzati dall'apporto di energia degli ultrasuoni
- Nanospugne supramolecolari e strutture porose
- Nanospugne a base di ciclodestrine
- Quadri metallo-organici (MOF) e quadri organici covalenti (COF) generati per via sonochemica
- Reti supramolecolari porose utilizzate per la catalisi o il caricamento di farmaci
- Altre architetture supramolecolari sensibili agli ultrasuoni
- Capsule supramolecolari e nanocapsule
- Monolayer (SAM) e multistrati autoassemblati
- Strutture supramolecolari a base di DNA
- Polimeri di coordinazione e metallogel
(Studio e film: Rutgeerts et al., 2019)
Applicazioni degli ultrasuoni nell'assemblaggio supramolecolare
Gli ultrasuoni influenzano l'autoassemblaggio supramolecolare attraverso effetti meccanici, termici e cavitazionali.
Questi processi chiave includono:
- Emulsificazione e formazione di nanoemulsioni
- Facilita l'incapsulamento supramolecolare nei sistemi olio/acqua
- Promuove la miscelazione omogenea di fasi immiscibili
- Riduzione dimensionale e disaggregazione delle particelle
- Rompe gli aggregati supramolecolari o i cristalli di maggiori dimensioni
- Controlla la morfologia e la polidispersità
- Dispersione e omogeneizzazione
- Migliora la dispersione di nanoparticelle o di blocchi costruttivi supramolecolari nei solventi
- Migliora l'uniformità nella formazione di gel o materiali ibridi
- Miglioramento dell'incapsulamento e della complessazione
- Accelera l'inclusione dell'ospite nelle ciclodestrine o nei sistemi micellari
- Promuove la formazione di nanocapsule per la somministrazione di farmaci o la catalisi.
- Giunzione delle fibre / Riduzione della lunghezza
- Accorciamento di nanofibre peptidiche o polimeriche mediante taglio cavitazionale
- Frammentazione controllata di filamenti e nanotubi supramolecolari
- Controllo della cristallizzazione e dei polimorfi
- Nucleazione assistita da ultrasuoni per la crescita controllata dei cristalli
- Generazione di polimorfi supramolecolari metastabili o cineticamente favoriti
- Reticolazione e formazione di reti
- Induce la riorganizzazione dei legami in reti di legami a idrogeno o metallo-ligando
- Avvia la formazione di strutture metallo-organiche supramolecolari (MOF)
- Promuove la formazione di idrogeli supramolecolari e sonogel
- Attivazione e funzionalizzazione sonochemica
- Avvia le reazioni per la modificazione supramolecolare
- Consente il fissaggio non covalente di società funzionali su impalcature ospiti
- Degradazione e disassemblaggio reversibile
- L'energia ultrasonica utilizzata per disassemblare reversibilmente i costrutti supramolecolari
- Rilascio controllato di specie incapsulate sotto stimolazione ultrasonica
Ottenere il miglior sonicatore per le sovramolecole
I sonicatori Hielscher sono sistemi a ultrasuoni a sonda ad alte prestazioni progettati specificamente per l'erogazione precisa di energia nei processi in fase liquida, il che li rende eccezionalmente adatti per l'assemblaggio sicochimico e supramolecolare di architetture complesse. Il controllo preciso dell'ampiezza, del tempo, della modalità di impulso e della temperatura consente dinamiche di cavitazione riproducibili, favorendo una miscelazione efficiente, un migliore trasferimento di massa e l'attivazione di interazioni non covalenti essenziali per l'organizzazione supramolecolare. Nella sicochimica, questa cavitazione acustica controllata può accelerare l'autoassemblaggio, facilitare la complessazione ospite-ospite e influenzare la morfologia o la stabilità degli aggregati supramolecolari. La robustezza, la scalabilità e il monitoraggio digitale del processo dei dispositivi Hielscher consentono inoltre di regolare con precisione le condizioni di reazione dagli esperimenti di laboratorio su piccola scala alla sintesi industriale, collegando la ricerca supramolecolare di base con la fabbricazione di materiali applicati.
La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasonori:
| Volume di batch | Portata | Dispositivi raccomandati |
|---|---|---|
| 0,5-1,5 mL | n.a. | VialTweeter |
| 1 - 500mL | 10 - 200mL/min | UP100H |
| 10 - 2000mL | 20 - 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 - 20L | 0,2 - 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 - 100L | 2 - 10L/min | UIP4000hdT |
| Da 15 a 150L | Da 3 a 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 - 100L/min | UIP16000hdT |
| n.a. | più grande | cluster di UIP16000hdT |
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.
L'emulsificazione a ultrasuoni promuove l'assemblaggio di strutture supramolecolari
Letteratura / Riferimenti
- Di Giosia, Matteo; Bomans, Paul; Bottoni, Andrea; Cantelli, Andrea; Falini, Giuseppe; Franchi, Paola; Guarracino, Giuseppe; Friedrich, Heiner; Lucarini, Marco; Paolucci, Francesco; Rapino, Stefania; Sommerdijk, Nico; Soldà, Alice; valle, Francesco ; Zerbetto, Francesco; Calvaresi, Matteo (2018): Proteins as Supramolecular Hosts for C60: A True Solution of C60 in Water. Nanoscale 10(21); 2018.
- Fatemeh Shahangi Shirazi, Kamran Akhbari (2016): Sonochemical procedures; the main synthetic method for synthesis of coinage metal ion supramolecular polymer nano structures. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 31, 2016. 51-61.
- 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.
Domande frequenti
Che cos'è una Supramolecola / Supermolecola?
Una supramolecola, o supermolecola, è un insieme chimico discreto di due o più entità molecolari tenute insieme da interazioni non covalenti come il legame a idrogeno, lo stacking π-π, la coordinazione metallica o le forze di van der Waals. A differenza delle molecole legate covalentemente, queste strutture si formano attraverso processi di autoassemblaggio reversibili e spesso altamente selettivi, dando origine ad architetture complesse con proprietà emergenti.
Quali sono i metodi di base della chimica supramolecolare?
I metodi di base della chimica supramolecolare ruotano attorno al riconoscimento molecolare e all'auto-organizzazione. La chimica ospite-ospite, la sintesi templata, la chimica di coordinazione e l'autoassemblaggio guidato da deboli forze intermolecolari costituiscono la base concettuale e sperimentale. Strumenti analitici come la spettroscopia NMR, la calorimetria a titolazione isotermica e la cristallografia a raggi X sono fondamentali per studiare queste interazioni in modo quantitativo e strutturale.
Che cos'è un dispositivo supramolecolare?
Un dispositivo supramolecolare è un sistema funzionale in cui i componenti molecolari sono organizzati attraverso interazioni non covalenti per svolgere compiti specifici, come la trasduzione del segnale, la commutazione molecolare, la catalisi o la conversione energetica. Questi dispositivi spesso imitano le funzioni biologiche, sfruttando il movimento molecolare controllato e la reversibilità su scala nanometrica.
I MOF sono strutture sovramolecolari?
I quadri metallo-organici (MOF) possono essere considerati strutture supramolecolari, in quanto le loro estese reti cristalline sono costruite attraverso legami di coordinazione tra ioni o cluster metallici e leganti organici. Sebbene questi legami abbiano un parziale carattere covalente, la natura modulare e autoassemblata dei MOF e la loro dipendenza da interazioni direzionali e reversibili li collocano concettualmente nel più ampio dominio della chimica supramolecolare.
Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni da laboratorio a dimensioni industriali.