ულტრაბგერითი დამუშავება ახალ გზებს კრავს სუპრამოლეკულურ ქიმიაში

სუპრამოლეკულური ქიმია ეფუძნება სუსტ, რევერსიულ ურთიერთქმედებებს: წყალბადურ ბმებს, π–π სტეკინგს, ვან დერ ვაალსის ძალებს, სოლვოფობურ ეფექტებს და ქირალურ ამოცნობას. ეს ურთიერთქმედებები საშუალებას აძლევს მოლეკულებს თვითორგანიზდნენ უფრო დიდ არქიტექტურებად, როგორიცაა ბოჭკოები, ღეროები, გელები, აგრეგატები და სუპრამოლეკულური პოლიმერები. ქიმიკოსებისა და ქიმიური ინჟინრებისთვის გამოწვევა მხოლოდ ასეთი სტრუქტურების ფორმირებაში არ მდგომარეობს, არამედ იმაში, რომელი სტრუქტურა იქმნება, რა სისწრაფით იქმნება და რჩება ის კინეტიკურად ჩაჭედილი თუ აღწევს თერმოდინამიკურად ყველაზე სტაბილურ მდგომარეობას.

ულტრაბგერითი ეფექტები ქიმიაში: ულტრაბგერითი დამუშავება აკონტროლებს სუპრამოლეკულურ თვითაწყობას

Wehner et al. (2020)-ის სამეცნიერო კვლევა, რომელიც გამოქვეყნდა Nature Communications-ში, აჩვენებს, რომ ულტრაბგერითი დამუშავება შეიძლება გამოყენებულ იქნას, როგორც ძლიერი გარე სტიმული თვითაწყობის გზების კონტროლისთვის სუპრამოლეკულურ ქიმიაში. მკვლევრებმა შეისწავლეს ქირალური პერილენ ბისიმიდის მოლეკულების რაცემური ნარევი და აჩვენეს, რომ ულტრაბგერითმა დამუშავებამ შეიძლება მიმართულება მისცეს განსხვავებული სუპრამოლეკულური პოლიმორფების წარმოქმნას. ულტრაბგერითი პირობების მიხედვით, სისტემამ წარმოქმნა განსხვავებული თვითაწყობილი სტრუქტურები, მათ შორის კინეტიკურად კონტროლირებადი კონგლომერატები და თერმოდინამიკურად სტაბილური რაცემური სუპრამოლეკულური პოლიმერი. კვლევაში სპეციფიკურად გამოიყენებოდა Hielscher UP50H ულტრაბგერითი პროცესორი ულტრაბგერითი დამუშავებისთვის, რომელიც მუშაობდა 30 kHz, 50 W და 100% ამპლიტუდაზე.
ეს შედეგი უაღრესად რელევანტურია თანამედროვე მასალების ქიმიისთვის, რადგან ის აჩვენებს, რომ ულტრაბგერა მხოლოდ შერევის ან დისპერგირების ინსტრუმენტი არ არის. კარგად განსაზღვრულ პირობებში, ულტრაბგერითმა დამუშავებამ შეიძლება იმოქმედოს, როგორც პროცესის პარამეტრმა მოლეკულური გზის კონტროლისთვის.

რატომ არის მნიშვნელოვანი ულტრაბგერითი ეფექტები ქიმიაში

ულტრაბგერითი ეფექტები ქიმიაში ძირითადად გამოწვეულია აკუსტიკური კავიტაციით. როდესაც მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერა შედის სითხეში, ცვალებადი წნევის ციკლები ქმნიან მიკროსკოპულ კავიტაციის ბუშტუკებს. მათი ზრდა და კოლაფსი ქმნის ლოკალიზებულ მაღალენერგიულ პირობებს, ინტენსიურ მიკრონაკადებს, ძლიერ ძვრის გრადიენტებს და ეფექტურ მასაგადატანას. ქიმიურ და მასალების პროცესებში, ეს ეფექტები შეიძლება გავლენა იქონიოს ნუკლეაციაზე, აგრეგაციაზე, ნაწილაკების წარმოქმნაზე, დისპერგირებაზე, კრისტალიზაციაზე და თვითაწყობაზე.
სუპრამოლეკულურ ქიმიაში ეს განსაკუთრებით ღირებულია, რადგან ბევრი სისტემა გზაზეა დამოკიდებული. იგივე მოლეკულა შეიძლება აწყობილიყო განსხვავებულ პოლიმორფებად ენერგიის შეტანის თანმიმდევრობისა და ინტენსივობის, ტემპერატურის, კონცენტრაციის, გამხსნელის შემადგენლობისა და დროის მიხედვით. ულტრაბგერითი დამუშავება უზრუნველყოფს კონტროლირებად გზას მექანიკური ენერგიის სისტემაში შეტანისთვის, სამშენებლო ბლოკის მოლეკულური სტრუქტურის ცვლილების გარეშე.
ქიმიური ინჟინრებისთვის ეს გადამწყვეტი უპირატესობაა: ულტრაბგერა შეიძლება პარამეტრიზებულ იქნას. ამპლიტუდა, სიმძლავრე, სონოტროდისა და რეაქტორის გეომეტრია, ტემპერატურა, დაყოვნების დრო, წნევა და ნაკადის სიჩქარე შეიძლება რეგულირდებოდეს, კონტროლდებოდეს და გადაიტანებოდეს ტექნიკური მიზანშეწონილობის ტესტებიდან უფრო დიდ დასამუშავებელ მოცულობებზე.

ულტრაბგერითი დამუშავება, როგორც ინსტრუმენტი თვითაწყობის კონტროლისთვის

კვლევაში გამოიკვლიეს ორი ენანტიომერული პერილენ ბისიმიდის მოლეკულის რაცემური ნარევის თვითაწყობა. შესაბამისი გარე სტიმულის არარსებობის შემთხვევაში, ასეთი სისტემები შეიძლება მიჰყვეს სასურველ აგრეგაციის გზას ან ჩაიჭედონ მეტასტაბილურ მდგომარეობებში. კონტროლირებადი ულტრაბგერითი დამუშავების გამოყენებით, მკვლევრებმა შეძლეს სხვადასხვა სუპრამოლეკულური შედეგის მიღწევა.
მთავარი დასკვნა მარტივი, მაგრამ მძლავრია: ულტრაბგერითმა დამუშავებამ შეცვალა თვითაწყობის გზა. კონკრეტულ ტემპერატურებზე და კონცენტრაციებზე, მძლავრი ულტრაბგერა ხელს უწყობდა ერთი აგრეგატული მდგომარეობიდან მეორეში გადასვლას. კინეტიკური ულტრაბგერითი დამუშავების პირობებში, სისტემა წარმოქმნიდა სუპრამოლეკულურ კონგლომერატს. თერმოდინამიკური ულტრაბგერითი დამუშავების პირობებში, ის წარმოქმნიდა რაცემურ სუპრამოლეკულურ პოლიმერს განსხვავებული მორფოლოგიითა და უფრო მაღალი სტაბილურობით.
მეცნიერული გავლენა მდგომარეობს იმის შესაძლებლობაში, გავლენა იქონიო, თუ რომელი აგრეგაცია – ჰომოქირალური თუ ჰეტეროქირალური – იქნება დომინანტური. ინდუსტრიული გავლენა მდგომარეობს უფრო ფართო კონცეფციაში: ულტრაბგერითი დამუშავება შეიძლება დაეხმაროს მოლეკულური ორგანიზაციის მართვას და არა მხოლოდ დამუშავების აჩქარებას.

ეს აქტუალურია შემდეგისთვის:

• სუპრამოლეკულური პოლიმერები და ფუნქციური ორგანული მასალები
• ქირალური აგრეგაცია და რაცემატების რეზოლუციის კვლევა
• კრისტალიზაცია და პოლიმორფების სკრინინგი
• ნანობოჭკოების, ნანოღეროებისა და საღებავის აგრეგატების წარმოქმნა
• ფორმულირების შემუშავება და მაღალტექნოლოგიური მასალების დამუშავება
• ულტრაბგერითი დახმარებითი ქიმიური პროცესების მასშტაბირება

Hielscher სონიკატორების როლი სუპრამოლეკულურ ქიმიაში

ექსპერიმენტული სამუშაოსთვის, ულტრაბგერითი დამუშავება განხორციელდა Hielscher UP50H-ით, კომპაქტური ლაბორატორიული ულტრაბგერითი პროცესორით. UP50H არის 50 W, 30 kHz პრობის ტიპის სონიკატორი, განკუთვნილი მცირე ლაბორატორიული ნიმუშებისთვის და გამოიყენება ქიმიურ, ბიოლოგიურ, სამედიცინო და ანალიტიკურ ლაბორატორიებში. Hielscher აღწერს UP50H-ს, როგორც შესაფერისს ხელში საკავი ან სტენდზე დამაგრებული მუშაობისთვის და ისეთი დავალებებისთვის, როგორიცაა მცირე მოცულობის ნიმუშების დისპერგირება, გახსნა, ემულსიფიცირება და ჰომოგენიზაცია.
ამ კვლევაში UP50H უზრუნველყოფდა ულტრაბგერით ენერგიას, რომელიც საჭირო იყო სუპრამოლეკულური აგრეგატების ტრანსფორმაციის დასაწყებად და წასაყვანად. ეს აჩვენებს მნიშვნელოვან პრაქტიკულ პუნქტს ქიმიკოსებისთვის: მცირე მოცულობის ლაბორატორიულმა ულტრაბგერითმა დამუშავებამ შეიძლება გამოავლინოს პროცესის ფანჯრები, რომელთა დადგენაც სხვაგვარად რთულია მხოლოდ არევით, გათბობით ან პასიური დაძველებით.
სუპრამოლეკულური ქიმიისთვის, პრობის ტიპის სონიკატორები, როგორიცაა UP50H, შესაძლებელია გამოიყენებოდეს არა მხოლოდ ნიმუშების მომზადებისთვის, არამედ როგორც აქტიური ექსპერიმენტული ცვლადი. ულტრაბგერითი დამუშავების ტემპერატურისა და ხანგრძლივობის ცვლილებით, მკვლევრებს შეუძლიათ შეისწავლონ კინეტიკური და თერმოდინამიკური რეჟიმები, სკრინინგი ჩაატარონ აგრეგაციის გზებზე და დაადგინონ მეტასტაბილური ან სტაბილური პოლიმორფები.

(R,R)- და (S,S)-PBI-ის რაცემური ნარევის სპექტროსკოპიული კვლევები. a (R,R)- და (S,S)-PBI-ის ქიმიური სტრუქტურები და (R,R)- და (S,S)-PBI-ის რაცემური ნარევის ულტრაბგერითი ინდუქციით გამოწვეული სუპრამოლეკულური პოლიმერიზაციის სქემატური აღწერა კონგლომერატებად Con-Agg 1 და Con-Agg 2 და რაცემურ სუპრამოლეკულურ პოლიმერად Rac-Agg 4.
კვლევა და სქემა: ©Wehner et al., 2020

ლაბორატორიული აღმოჩენიდან მასშტაბირებად ულტრაბგერით დამუშავებამდე

Hielscher-ის სონიკატორების ერთ-ერთი მნიშვნელოვანი უპირატესობაა ულტრაბგერითი აპარატურის ხელმისაწვდომობა განვითარების მთელ ჯაჭვში: კომპაქტური ლაბორატორიული მოწყობილობებიდან სტოლზე დასადგმელ სისტემებამდე და სამრეწველო ულტრაბგერით პროცესორებამდე. Hielscher სთავაზობს ულტრაბგერით დამუშავების აპარატებსა და პრობებს სითხეების დასამუშავებლად ლაბორატორიული მასშტაბიდან წარმოების მასშტაბამდე, მათ შორის ქიმიური დამუშავების, ნაწილაკების ზომის შემცირების, ექსტრაქციის, დისპერგირებისა და ჰომოგენიზაციის მიზნით.
ეს მნიშვნელოვანია, რადგან ბევრი პერსპექტიული სონოქიმიური ან სუპრამოლეკულური აღმოჩენა ლაბორატორიის ფარგლებს ვერ სცდება, როდესაც პროცესის გამეორება უფრო დიდ მასშტაბზე შეუძლებელია. Hielscher-ის მიდგომა ულტრაბგერითი პროცესის განვითარებისადმი ეფუძნება კონტროლირებად პარამეტრებსა და მასშტაბირებად აპარატურულ კონფიგურაციებს. ეფექტური ულტრაბგერითი პროცესის ფანჯრის იდენტიფიცირების შემდეგ, პროცესი შეიძლება გადავიტანოთ უფრო დიდ ულტრაბგერით სისტემებზე შესაბამისი ენერგიის შეტანისა და დამუშავების პირობების შენარჩუნებით.
სამრეწველო მომხმარებლებისთვის ეს ნიშნავს, რომ ულტრაბგერითი დამუშავება შეიძლება განხილულ იქნას არა მხოლოდ როგორც სამეცნიერო მეთოდი, არამედ როგორც პროცესული ტექნოლოგია.

ინლაინ ულტრაბგერითი დამუშავება უწყვეტი ქიმიური პროცესებისთვის

პარტიული ულტრაბგერითი დამუშავება სასარგებლოა ლაბორატორიული სკრინინგისა და მცირე მოცულობის ოპტიმიზაციისთვის. თუმცა, ქიმიური წარმოება ხშირად მოითხოვს უწყვეტ ოპერაციას, გამეორებადობასა და განსაზღვრულ რეზიდენციის დროს. Hielscher-ის ულტრაბგერითი სისტემები უზრუნველყოფენ ინლაინ ულტრაბგერით დამუშავებას, სადაც სითხეები ტუმბოვით გადის ულტრაბგერითი ნაკადის კამერაში ან რეაქტორში და ექვემდებარება კავიტაციის ველს კონტროლირებად პირობებში.
ინლაინ ულტრაბგერითი დამუშავება შეიძლება ექსპლუატაციაში იყოს ერთგზიანი რეჟიმით ან რეცირკულაციის რეჟიმით, რაც საშუალებას აძლევს სითხეს ერთხელ ან რამდენჯერმე გაიაროს ულტრაბგერითი დამუშავების ზონაში. Hielscher აცხადებს, რომ მისი ულტრაბგერითი პროცესორები ხელმისაწვდომია როგორც პარტიული, ისე უწყვეტი ინლაინ დამუშავებისთვის, ლაბორატორიული და სტოლზე დასმული ერთეულებიდან სრულ სამრეწველო მასშტაბამდე.

სუპრამოლეკულური ქიმიისა და ქიმიური ინჟინერიისთვის, ინლაინ ულტრაბგერითი დამუშავება რამდენიმე უპირატესობას იძლევა:

• კონტროლირებადი რეზიდენციის დრო კავიტაციის ზონაში
• გამეორებადობის გაუმჯობესება არაკონტროლირებად პარტიულ აღრევასთან შედარებით
• სითბოს მართვის გაუმჯობესება ნაკადის კამერებისა და გარე გაგრილების მეშვეობით
• უწყვეტი დამუშავება უფრო დიდი მოცულობებისთვის
• არსებულ ქიმიურ წარმოების ხაზებში ინტეგრაციის გაადვილება
• დამუშავების ინტენსივობის მასშტაბირება მოცულობითი ხარჯის, ამპლიტუდისა და რეაქტორის კონფიგურაციის კორექტირებით

გზაზე დამოკიდებულ ქიმიაში, ეს პარამეტრები შეიძლება გადამწყვეტი იყოს. თუ სუპრამოლეკულური სისტემა სხვაგვარად პასუხობს მოკლე, ინტენსიურ ულტრაბგერით დამუშავებას, ვიდრე ხანგრძლივ, რბილ ულტრაბგერით დამუშავებას, ინლაინ დამუშავება უზრუნველყოფს ინჟინრულ ჩარჩოს ამ ექსპოზიციის განსაზღვრისა და გამეორებისთვის.

წრფივი მასშტაბირება: სონოქიმიური სკრინინგიდან წარმოებამდე

Hielscher-ის ულტრაბგერითი ტექნოლოგია შექმნილია მასშტაბირებისთვის ლაბორატორიული ტესტირებიდან სამრეწველო დამუშავებამდე. დიდი სისტემებისთვის პროცესის პარამეტრები, როგორიცაა ამპლიტუდა, წნევა და ტემპერატურა, შეიძლება ოპტიმიზირებულ იქნეს უფრო მცირე დანადგარებში და შემდეგ გადავიდეს უფრო მაღალი გამტარუნარიანობის აპარატურაზე. Hielscher აღწერს ულტრაბგერითი პროცესის ეფექტურობას როგორც წრფივად მასშტაბირებადს ოპტიმალური პარამეტრული კონფიგურაციის იდენტიფიცირების შემდეგ.
ეს წრფივი მასშტაბირების შესაძლებლობა განსაკუთრებით მნიშვნელოვანია ქიმიკოსებისა და პროცესის ინჟინრებისთვის, რომლებიც მუშაობენ მგრძნობიარე სუპრამოლეკულურ სისტემებზე. თვითორგანიზებული მასალები ხშირად დამოკიდებულია ვიწრო პროცესის ფანჯრებზე. შერევის ინტენსივობის, ყოფნის დროის, ტემპერატურული პროფილის ან ენერგიის სიმკვრივის ცვლილებამ შეიძლება შეცვალოს პროდუქტის მორფოლოგია. მასშტაბირებადი ულტრაბგერითი სისტემები ხელს უწყობენ ამ რისკის შემცირებას განსაზღვრული ულტრაბგერითი დამუშავების პირობების შენარჩუნებით, როდესაც პროცესი გადადის მილილიტრებიდან ლიტრებზე და, საბოლოოდ, წარმოების მასშტაბის ნაკადის სიჩქარეებზე.
Hielscher ასევე სთავაზობს სამრეწველო ინლაინ რეაქტორებს, როგორიცაა MultiSonoReactor, მაღალი გამტარუნარიანობის მქონე ინლაინ ულტრაბგერითი დამუშავებისთვის. ეს სისტემები შექმნილია ისეთი გამოყენებისთვის, როგორიცაა ჰომოგენიზაცია, შერევა, დისპერგირება, ექსტრაქცია და სონოქიმიური რეაქციები.

ულტრაბგერით სინთეზირებული სუპრამოლეკულური პოლიმორფების სამეცნიერო და სამრეწველო მნიშვნელობა

ულტრაბგერით კონტროლირებადი სუპრამოლეკულური პოლიმორფიზმის შესახებ კვლევა მნიშვნელოვანია, რადგან ის აჩვენებს, თუ როგორ შეიძლება ქიმიაში ულტრაბგერითი ეფექტების გამოყენება იმავე მოლეკულური სისტემიდან სხვადასხვა მასალის მდგომარეობის მისაღწევად. მოლეკულის შეცვლის ნაცვლად, მკვლევრებმა შეცვალეს პროცესის პირობები. სწორედ აქ ხდება ულტრაბგერითი დამუშავება მიმზიდველი სამრეწველო ქიმიისთვის: მას შეუძლია შედეგების გაუმჯობესება პროცესის ინტენსიფიკაციის გზით, დამატებითი სინთეზური ეტაპების ნაცვლად.
სამეცნიერო კვლევისთვის, მიღებული შედეგები ხელს უწყობს ქირალური თვითორგანიზაციის, კინეტიკური ჩაკეტივების, თერმოდინამიკური კონტროლისა და სუპრამოლეკულური ენერგეტიკული ლანდშაფტების უფრო ღრმა გაგებას. მრეწველობისთვის, იგივე პრინციპები შეიძლება ხელს უწყობდეს პოლიმორფების გაუმჯობესებულ სკრინინგს, ფუნქციური მასალების უფრო სწრაფ განვითარებას, აგრეგატების მორფოლოგიის უკეთეს კონტროლს და მოწინავე ქიმიური სისტემების უფრო რეპროდუქციულ დამუშავებას.

პრაქტიკული თვალსაზრისით, ულტრაბგერითი დამუშავება შეიძლება დაეხმაროს ქიმიკოსებს და ქიმიურ ინჟინრებს:

• გააჩქარონ თვითორგანიზაციის გარდაქმნები
• გამოიწვიონ სხვაგვარად მიუწვდომელი აგრეგაციის გზები
• გააუმჯობესონ რეპროდუქციულობა გზაზე დამოკიდებულ სისტემებში
• შეამცირონ დამოკიდებულება ხანგრძლივ გაწონასწორების დროზე
• გამოიკვლიონ კინეტიკური და თერმოდინამიკური პროდუქტის მდგომარეობები
• გადაიტანონ პერსპექტიული ლაბორატორიული შედეგები ინლაინ პროცესებში

ულტრაბგერითი დამუშავება, როგორც მხარდამჭერი ტექნოლოგია

მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერა არის მხარდამჭერი ტექნოლოგია სუპრამოლეკულური ქიმიისთვის. აკუსტიკური ენერგიის კონტროლირებადი შეყვანა შეუძლია გავლენა იქონიოს რთული სისტემების მოლეკულურ ორგანიზაციაზე და შექმნას წვდომა სტრუქტურებზე, რომლებიც რთულია მიღწევა ჩვეულებრივი აღრევის ან თერმული დამუშავების მხოლოდ საშუალებით.
Hielscher UP50H-ის გამოყენებით, ციტირებული კვლევა აჩვენებს ზუსტი ლაბორატორიული ულტრაბგერითი დამუშავების ღირებულებას ფუნდამენტური სუპრამოლეკულური კვლევისთვის. Hielscher-ის უფრო დიდი ბენჩ-ტოპ და სამრეწველო სონიკატორებით, იგივე ტექნოლოგიური პლატფორმა შეიძლება გაფართოვდეს პროცესის ოპტიმიზაციის, ინლაინ დამუშავებისა და წრფივი მასშტაბირების მიმართულებით.
ქიმიკოსებისთვის, ეს ახალ ექსპერიმენტულ გზებს კვალავს თვითორგანიზაციასა და პოლიმორფების კონტროლში. ქიმიური ინჟინრებისთვის, ეს უზრუნველყოფს მასშტაბირებად პროცესულ ინსტრუმენტს ქიმიაში ულტრაბგერითი ეფექტების საიმედო წარმოების სტრატეგიებად გადასაყვანად.

ქვემოთ მოცემული ცხრილი გაძლევთ წარმოდგენას ჩვენი ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორების დაახლოებითი დამუშავების სიმძლავრის შესახებ:

დიზაინი, წარმოება და კონსულტირება – ხარისხი დამზადებულია გერმანიაში

Hielscher-ის ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორები ცნობილია თავისი უმაღლესი ხარისხისა და დიზაინის სტანდარტებით. მდგრადობა და მარტივი ექსპლუატაცია საშუალებას იძლევა ჩვენი ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორები მარტივად ინტეგრირდეს სამრეწველო ობიექტებში. მკაცრ პირობებსა და მოთხოვნად გარემოს Hielscher-ის ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორები easily უმკლავდებიან.

Hielscher Ultrasonics არის ISO სერტიფიცირებული კომპანია და განსაკუთრებულ ყურადღებას უთმობს მაღალი წარმადობის ულტრაბგერით ჰომოგენიზატორებს, რომლებიც იყენებენ თანამედროვე ტექნოლოგიას და მომხმარებლისთვის მოსახერხებელ ინტერფეისს. რა თქმა უნდა, Hielscher-ის ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორები შეესაბამება CE სტანდარტებს და აკმაყოფილებენ UL, CSA და RoHs მოთხოვნებს.

ლიტერატურა / რეფერატები

• 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.