超音波処理が超分子化学に新たな経路を開く

超分子化学は、水素結合、π–πスタッキング、ファンデルワールス力、疎溶媒効果、キラル認識といった弱く可逆的な相互作用に依存しています。これらの相互作用により、分子は繊維、ロッド、ゲル、凝集体、超分子ポリマーなどのより大きな構造へと自己組織化できます。化学者や化学技術者にとっての課題は、こうした構造を形成することだけでなく、どの構造が形成されるか、どれほど速く形成されるか、そして速度論的に捕捉された状態にとどまるか、熱力学的に最も安定な状態に到達するかを制御することです。

化学における超音波の効果：超音波処理による超分子自己集合の制御

Nature Communicationsに掲載されたWehner et al. (2020)の科学研究は、超音波処理を強力な外部刺激として用いることで、超分子化学における自己集合経路を制御できることを示しています。研究者らはキラルなペリレンビスイミド分子のラセミ混合物を調べ、超音波処理によって異なる超分子多形の形成を誘導できることを示しました。超音波条件に応じて、この系は速度論的に制御されたコングロメレートや、熱力学的に安定なラセミ超分子ポリマーなど、異なる自己集合構造を生成しました。この研究では、超音波処理にHielscher UP50H超音波処理装置を使用したことが明記されており、30 kHz、50 W、振幅100%で運転されました。
この結果は、超音波が単なる混合や分散のためのツールではないことを示しているため、現代の材料化学にとって非常に重要です。明確に定義された条件下では、超音波処理は分子の経路を制御するためのプロセスパラメータとして機能します。

化学において超音波の効果が重要な理由

化学における超音波の効果は、主に音響キャビテーションによって生じます。高強度の超音波を液体に導入すると、圧力が交互に変化する周期によって微小なキャビテーション気泡が発生します。気泡の成長と崩壊は、局所的な高エネルギー条件、強い微小流、強いせん断勾配、効率的な物質移動を生み出します。化学プロセスや材料プロセスでは、これらの効果が核生成、凝集、粒子形成、分散、結晶化、自己集合に影響を与える可能性があります。
超分子化学では、多くの系が経路に依存するため、これは特に有用です。同じ分子でも、エネルギー投入の順序と強度、温度、濃度、溶媒組成、時間によって、異なる多形へと集合する可能性があります。超音波処理は、構成単位の分子構造を変えることなく、系に機械的エネルギーを導入する制御可能な方法を提供します。
化学技術者にとって、これは決定的な利点です。超音波はパラメータ化できます。振幅、出力、ソノトロードと反応器の形状、温度、滞留時間、圧力、流量を調整・監視し、実現可能性試験からより大きな処理量へと適用できます。

自己集合制御のためのツールとしての超音波処理

この研究では、互いに鏡像異性体である二種類のペリレンビスイミド分子からなるラセミ混合物の自己集合を調べました。適切な外部刺激がない場合、このような系は優先的な凝集経路をたどったり、準安定状態に捕捉されたりする可能性があります。制御された超音波処理を適用することで、研究者らは異なる超分子形成結果を得ることができました。
主要な知見は明快でありながら強力です。超音波処理によって自己集合経路が変化しました。特定の温度と濃度では、強力超音波がある凝集状態から別の凝集状態への転換を促進しました。速度論的な超音波処理条件下では、この系は超分子コングロメレートを形成しました。熱力学的な超音波処理条件下では、異なる形態とより高い安定性を持つラセミ超分子ポリマーを形成しました。
科学的な意義は、ホモキラル凝集とヘテロキラル凝集のどちらが優勢になるかに影響を与えられることにあります。産業上の意義は、より広い概念にあります。超音波処理は、処理を加速するだけでなく、分子の組織化を誘導するのにも役立ちます。

これは、以下の分野に関係します。

• 超分子ポリマーおよび機能性有機材料
• キラル凝集およびラセミ体分割の研究
• 結晶化および多形スクリーニング
• ナノファイバー、ナノロッド、色素凝集体の形成
• 製剤・配合の開発および先端材料の加工
• 超音波支援化学プロセスのスケールアップ

超分子化学におけるHielscher超音波処理装置の役割

実験では、コンパクトなラボ用超音波処理装置であるHielscher UP50Hを用いて超音波処理を行いました。UP50Hは、少量のラボサンプル用に設計された50 W、30 kHzのプローブ型超音波処理装置で、化学、生物学、医学、分析の研究室で使用されています。Hielscherは、UP50Hが手持ち操作またはスタンドに取り付けた操作に適しており、少量サンプルの分散、溶解、乳化、均質化などの作業に適していると説明しています。
この研究では、UP50Hが超分子凝集体の転換を引き起こし、誘導するために必要な超音波エネルギーを供給しました。これは、化学者にとって重要な実用上の点を示しています。ラボでの少量の超音波処理により、撹拌、加熱、または外部から刺激を与えずに行う熟成だけでは特定が難しいプロセス条件範囲を明らかにできます。
したがって、超分子化学では、UP50Hのようなプローブ型超音波処理装置をサンプル調製だけでなく、能動的な実験変数としても使用できます。超音波処理の温度と時間を変えることで、研究者は速度論的領域と熱力学的領域を調べ、凝集経路をスクリーニングし、準安定または安定な多形を特定できます。
 

(R,R)-PBIおよび(S,S)-PBIのラセミ混合物の分光学的研究。a (R,R)-PBIおよび(S,S)-PBIの化学構造と、超音波によって誘起される、(R,R)-PBIおよび(S,S)-PBIのラセミ混合物からコングロメレートCon-Agg 1およびCon-Agg 2、ならびにラセミ超分子ポリマーRac-Agg 4への超分子重合の模式図。
研究および模式図：©Wehner et al., 2020

ラボでの発見からスケールアップ可能な超音波処理へ

Hielscher超音波処理装置の大きな利点は、コンパクトなラボ用装置から卓上システム、産業用超音波処理装置まで、開発の全段階に対応する超音波機器が利用できることです。Hielscherは、ラボ規模から生産規模までの液体処理に対応する超音波処理装置とプローブを提供しており、その用途には化学処理、粒径の縮小、抽出、分散、均質化が含まれます。
これは重要です。より大きな規模でプロセスを再現できない場合、有望なソノケミストリーや超分子に関する知見の多くは、ラボの段階を超えられないためです。Hielscherの超音波プロセス開発へのアプローチは、制御可能なパラメータとスケールアップ可能な装置構成に基づいています。有効な超音波プロセス条件範囲が特定されれば、関連するエネルギー投入量と処理条件を維持することで、より大型の超音波システムへプロセスを移行できます。
産業ユーザーにとって、これは超音波処理を研究手法としてだけでなく、プロセス技術としても検討できることを意味します。

連続化学処理のためのインライン超音波処理

バッチ式超音波処理は、ラボでのスクリーニングや少量処理の最適化に有用です。しかし、化学生産では、連続運転、再現性、明確に定められた滞留時間が求められることがよくあります。Hielscher超音波システムはインライン超音波処理に対応しており、液体を超音波フローセルまたは反応器にポンプで送り、制御された条件下でキャビテーション場にさらします。
インライン超音波処理は、シングルパスモードまたは再循環モードで運転でき、液体を超音波処理領域に一回または複数回通過させることができます。Hielscherは、ラボ用および卓上装置から本格的な産業規模まで、バッチ処理と連続インライン処理の両方に対応する超音波処理装置を提供していると述べています。

超分子化学および化学工学において、インライン超音波処理には次のような利点があります。

• キャビテーション領域における滞留時間の制御
• 制御されていないバッチ撹拌と比較した再現性の向上
• フローセルおよび外部冷却による熱管理の改善
• より大量の液体に対応する連続処理
• 既存の化学生産ラインへのより容易な組み込み
• 流量、振幅、反応器構成の調整による処理強度のスケールアップ

経路に依存する化学では、これらのパラメータが決定的に重要になる可能性があります。超分子系が短時間の強い超音波処理と長時間の穏やかな超音波処理に対して異なる応答を示す場合、インライン処理は、その超音波への曝露条件を定義し、再現するための工学的な枠組みを提供します。

線形スケールアップ：ソノケミカルスクリーニングから生産へ

Hielscherの超音波技術は、ラボでの試験から産業用処理へのスケールアップを想定して設計されています。大型システムに向けて、振幅、圧力、温度などのプロセスパラメータを小型装置で最適化し、その後、処理能力の高い装置へ適用できます。Hielscherは、最適なパラメータ構成が特定された後は、超音波プロセスの効率を線形にスケールアップできると説明しています。
この線形スケールアップ能力は、条件の変化に敏感な超分子系を扱う化学者やプロセス技術者にとって、特に重要です。自己集合材料は、狭いプロセス条件範囲に依存することがよくあります。混合強度、滞留時間、温度プロファイル、エネルギー密度が変わると、生成物の形態が変化する可能性があります。スケールアップ可能な超音波システムは、プロセスがミリリットルからリットルへ、最終的には生産規模の流量へと移行する際にも、定められた超音波処理条件を維持することで、このリスクの低減に役立ちます。
Hielscherは、高い処理能力でインライン超音波処理を行うためのMultiSonoReactorなどの産業用インライン反応器も提供しています。これらのシステムは、均質化、混合、分散、抽出、ソノケミカル反応などの用途向けに設計されています。

超音波で合成した超分子多形の科学的および産業上の意義

超音波で制御する超分子多形に関するこの研究は、化学における超音波の効果を利用して、同じ分子系から異なる材料状態を得る方法を示している点で重要です。研究者らは分子を変えるのではなく、プロセス条件を変えました。これはまさに、産業化学において超音波処理が魅力的になる点です。合成工程を追加するのではなく、プロセス強化によって結果を改善できます。
科学研究において、これらの知見は、キラル自己集合、速度論的捕捉、熱力学的制御、超分子エネルギーランドスケープのより深い理解に貢献します。産業においても、同じ原理が、多形スクリーニングの改善、機能性材料の開発の迅速化、凝集体形態の制御の改善、高度な化学系の処理における再現性の向上に役立つ可能性があります。

実用面では、超音波処理は、化学者や化学技術者による次の取り組みに役立つ可能性があります。

• 自己集合における転換の加速
• 他の方法では到達できない凝集経路の促進
• 経路に依存する系における再現性の向上
• 長い平衡化時間への依存の低減
• 速度論的および熱力学的な生成物状態のスクリーニング
• 有望なラボでの結果のインラインプロセスへの移行

新たな可能性を実現する技術としての超音波処理

強力超音波は、超分子化学における新たな可能性を実現する技術です。音響エネルギーを制御して投入することで、複雑な系の分子組織化に影響を与え、従来の撹拌や熱処理だけでは得ることが難しい構造を形成できるようになります。
引用した研究は、Hielscher UP50Hを用いて、基礎的な超分子研究における精密なラボ超音波処理の価値を示しています。Hielscherのより大型の卓上および産業用超音波処理装置を用いることで、同じ技術基盤をプロセス最適化、インライン処理、線形スケールアップへと拡張できます。
化学者にとって、これは自己集合と多形制御における新たな実験経路を開きます。化学技術者にとっては、化学における超音波の効果を信頼性の高い生産戦略へと移すための、スケールアップ可能なプロセスツールを提供します。

以下の表は、当社の超音波処理装置のおおよその処理能力の目安を示しています。

設計、製造、コンサルティング – ドイツ製の品質

Hielscher超音波処理装置は、最高水準の品質と設計基準で広く知られています。堅牢性と操作の容易さにより、当社の超音波処理装置を産業施設に円滑に組み込めます。Hielscher超音波処理装置は、過酷な条件や厳しい環境にも容易に対応します。

Hielscher UltrasonicsはISO認証企業であり、最先端技術と使いやすさを備えた高性能超音波処理装置に特に力を入れています。当然ながら、Hielscher超音波処理装置はCEに適合しており、UL、CSA、RoHsの要件を満たしています。

文献／参考文献

• 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.