D’Ultraschallbeschallung mécht nei Weeër an der supramolekularer Chemie op

Déi supramolekular Chemie baséiert op schwaachen, reversibelen Interaktiounen: Waasserstoffbrécken, π–π-Stapelung, van-der-Waals-Kräften, solvophoben Effekter a chiraler Erkennung. Dës Interaktiounen erlaben et de Moleküllen, sech selwer zu méi groussen Architekture wéi Faseren, Stäben, Gellen, Aggregater a supramolekulare Polymeren ze organiséieren. Fir Chemiker a Cheemieingenieure besteet d’Erausfuerderung net nëmmen doran, esou Strukturen ze bilden, mee och ze kontrolléieren, wéi eng Struktur entsteet, wéi séier se entsteet an ob se kinetesch agefaange bleift oder den thermodynamesch stabilsten Zoustand erreecht.

Ultraschalleffekter an der Chemie: D’Ultraschallbeschallung kontrolléiert déi supramolekular Selbstassembléierung

Eng wëssenschaftlech Etüd vu Wehner et al. (2020), déi an Nature Communications publizéiert gouf, weist, datt Ultraschallbeschallung als staarken externe Reiz agesat ka ginn, fir d’Weeër vun der Selbstassembléierung an der supramolekularer Chemie ze kontrolléieren. D’Fuerscher hunn eng racemesch Mëschung aus chirale Perylenbisimid-Moleküllen ënnersicht a gewisen, datt d’Ultraschallbeschallung d’Bildung vu verschiddene supramolekulare Polymorphe steiere konnt. Jee no Ultraschallbedéngungen huet de System verschidde selwer assembléiert Strukture produzéiert, dorënner kinetesch kontrolléiert Konglomerater an en thermodynamesch stabile racemesche supramolekulare Polymer. An der Etüd gouf ausdrécklech en Hielscher UP50H Ultraschallprozessor fir d’Ultraschallbeschallung benotzt, dee bei 30 kHz, 50 W an 100% Amplitud bedriwwe gouf.
Dëst Resultat ass héich relevant fir déi modern Materialchemie, well et weist, datt Ultraschall méi wéi nëmmen en Instrument fir d’Mëschen oder d’Dispergéierung ass. Ënner kloer definéierte Bedéngunge kann d’Ultraschallbeschallung als Prozessparameter fir d’Kontroll vu molekulare Weeër déngen.

Firwat Ultraschalleffekter an der Chemie wichteg sinn

Ultraschalleffekter an der Chemie ginn haaptsächlech duerch akustesch Kavitatioun verursaacht. Wann Ultraschall mat héijer Intensitéit an eng Flëssegkeet ageleet gëtt, entstinn duerch ofwiesselend Drockzyklen mikroskopesch Kavitatiounsblosen. Hire Wuesstem an hiren Zesummebroch produzéiere lokal Bedéngunge mat héijer Energie, intensiv Mikrostréimungen, staark Schéiergradienten an en effiziente Massentransport. A cheemeschen a materialtechnesche Prozesser kënnen dës Effekter d’Keimbildung, d’Aggregatioun, d’Partikelbildung, d’Dispergéierung, d’Kristalliséierung an d’Selbstassembléierung beaflossen.
An der supramolekularer Chemie ass dat besonnesch wäertvoll, well vill Systemer vum Wee ofhängeg sinn. Dee selwechte Moleküll ka sech zu verschiddene Polymorphen assembléieren, jee no der Reiefolleg an der Intensitéit vun der Energiezouféierung, der Temperatur, der Konzentratioun, der Zesummesetzung vum Léisungsmëttel an der Zäit. D’Ultraschallbeschallung bitt eng kontrolléierbar Méiglechkeet, mechanesch Energie an de System anzebréngen, ouni d’molekular Struktur vum Bausteen ze veränneren.
Fir Cheemieingenieuren ass dat en entscheedende Virdeel: Ultraschall ka parametriséiert ginn. D’Amplitud, d’Leeschtung, d’Geometrie vun der Sonotrod a vum Reakter, d’Temperatur, d’Verweilzäit, den Drock an d’Duerchflossrate kënnen ugepasst, iwwerwaacht a vu Machbarkeetstester op méi grouss Veraarbechtungsvolumeniwwerdroe ginn.

D’Ultraschallbeschallung als Instrument fir d’Kontroll vun der Selbstassembléierung

D’Etüd huet d’Selbstassembléierung vun enger racemescher Mëschung aus zwou enantiomere Perylenbisimid-Moleküllen ënnersicht. Wann dee richtegen externe Reiz feelt, kënnen esou Systemer engem bevorzugten Aggregatiounswee nogoen oder a metastabilen Zoustänn gefaange bleiwen. Duerch eng kontrolléiert Ultraschallbehandlung konnten d’Fuerscher ënnerschiddlech supramolekular Resultater erreechen.
Déi zentral Erkenntnis ass einfach, awer bedeitend: D’Ultraschallbehandlung huet de Wee vun der Selbstassembléierung verännert. Bei bestëmmten Temperaturen a Konzentratiounen huet Héichleeschtungsultraschall d’Ëmwandlung vun engem Aggregatzoustand an en anere gefërdert. Ënner kineteschen Ultraschallbehandlungsbedéngungen huet de System e supramolekulare Konglomerat gebilt. Ënner thermodynameschen Ultraschallbehandlungsbedéngungen huet en e racemesche supramolekulare Polymer mat enger anerer Morphologie a méi héijer Stabilitéit gebilt.
Déi wëssenschaftlech Bedeitung läit an der Méiglechkeet ze beaflossen, ob homochiral oder heterochiral Aggregatioun dominéiert. Déi industriell Bedeitung läit am méi breede Konzept: D’Ultraschallbehandlung kann hëllefen, d’molekular Organisatioun ze steieren, an net nëmmen d’Veraarbechtung ze beschleunegen.

Dëst ass relevant fir:

• supramolekular Polymeren a funktionell organesch Materialien
• chiral Aggregatioun a Fuerschung iwwer d’Racematspaltung
• Kristalliséierung a Screening vu Polymorphen
• Bildung vun Nanofaseren, Nanostäbercher a Faarfstoffaggregater
• Entwécklung vu Formuléierungen a Veraarbechtung vu fortgeschrattene Materialien
• Skaléierung vun ultraschallënnerstëtzte cheemesche Prozesser

D’Roll vun den Hielscher Ultraschallapparater an der supramolekularer Chimie

Fir déi experimentell Aarbecht gouf d’Ultraschallbehandlung mam Hielscher UP50H, engem kompakten Ultraschallprozessor fir de Labo, duerchgefouert. Den UP50H ass en Ultraschallapparat mat Sond mat 50 W an 30 kHz, dee fir kleng Laboprouwen entwéckelt gouf an a cheemeschen, biologeschen, medezineschen an analytesche Laboratoirë benotzt gëtt. Hielscher beschreift den UP50H als gëeegent fir de Betrib an der Hand oder op engem Stativ a fir Aufgabe wéi d’Dispergéieren, d’Opléisen, d’Emulgéieren an d’Homogeniséiere vu klenge Proufvolummen.
An dëser Etüd huet den UP50H déi néideg Ultraschallenergie geliwwert, fir d’Ëmwandlung vu supramolekularen Aggregater auszeléisen an ze steieren. Dëst illustréiert e wichtege praktesche Punkt fir Chemiker: D’Ultraschallbehandlung vu klenge Volummen am Labo ka Prozessfënsteren opweisen, déi soss duerch Réieren, Erhëtzen oder passiivt Aleng eleng schwéier z’identifizéiere sinn.
An der supramolekularer Chimie kënnen Ultraschallapparater mat Sond wéi den UP50H dofir net nëmme fir d’Proufvirbereedung, mee och als aktiv experimentell Variabel benotzt ginn. Andeems d’Fuerscher d’Temperatur an d’Dauer vun der Ultraschallbehandlung veränneren, kënne si kinetesch an thermodynamesch Regimmer ënnersichen, Aggregatiounsweeër screenen a metastabil oder stabil Polymorphen identifizéieren.
 

Spektroskopesch Ënnersichunge vun der racemescher Mëschung aus (R,R)- an (S,S)-PBI. a Cheemesch Strukture vun (R,R)- an (S,S)-PBI a schematesch Duerstellung vun der duerch Ultraschall induzéierter supramolekularer Polymerisatioun vun der racemescher Mëschung aus (R,R)- an (S,S)-PBI zu de Konglomerater Con-Agg 1 a Con-Agg 2 an zum racemesche supramolekulare Polymer Rac-Agg 4.
Etüd a Schema: ©Wehner et al., 2020

Vun der Entdeckung am Labo zur skaléierbarer Ultraschallveraarbechtung

E grousse Virdeel vun den Hielscher Ultraschallapparater ass d’Disponibilitéit vun Ultraschallausrüstung iwwer déi ganz Entwécklungsketten: vu kompakten Laborapparater iwwer Dëschsystemer bis hin zu industriellen Ultraschallprozessoren. Hielscher bitt Ultraschallapparater a Sonde fir d’Veraarbechtung vu Flëssegkeeten am Labormoossstaf bis hin zum Produktiounsmoossstaf un, mat Uwendungen ewéi cheemescher Veraarbechtung, Partikelgréisstreduktioun, Extraktioun, Dispergéierung an Homogeniséierung.
Dat ass wichteg, well vill villverspriechend sonocheemesch oder supramolekular Erkenntnesser net iwwer de Labor erauskommen, wann de Prozess net a méi groussem Moossstaf reproduzéiert ka ginn. Dem Hielscher säin Usaz fir d’Entwécklung vun Ultraschallprozesser baséiert op kontrolléierbare Parameteren a skaléierbaren Ausrüstungskonfiguratiounen. Soubal eng effikass Prozessfënster fir d’Ultraschallbehandlung identifizéiert gouf, kann de Prozess op méi grouss Ultraschallsystemer iwwerdroe ginn, andeems déi relevant Energiezouféierung a Veraarbechtungsbedéngunge bäibehale ginn.
Fir industriell Benotzer bedeit dat, datt d’Ultraschallbehandlung net nëmmen als Fuerschungsmethod, mee och als Prozesstechnologie ugesi ka ginn.

Inline-Ultraschallbehandlung fir kontinuéierlech cheemesch Veraarbechtung

D’Ultraschallbehandlung a Chargen ass nëtzlech fir Screening am Labor an d’Optimiséierung vu klenge Volumenen. D’cheemesch Produktioun erfuerdert awer dacks e kontinuéierleche Betrib, Reproduzéierbarkeet an definéiert Verweilzäiten. Hielscher Ultraschallsystemer ënnerstëtzen d’Inline-Ultraschallbehandlung, bei där Flëssegkeeten duerch eng Ultraschall-Duerchflosszell oder en Ultraschallreakter gepompelt ginn an ënner kontrolléierte Bedéngungen dem Kavitatiounsfeld ausgesat ginn.
D’Inline-Ultraschallbehandlung kann am Eenzeldurchlaf oder am Rezirkulatiounsmodus bedriwwe ginn, soudatt d’Flëssegkeet eemol oder e puer Mol duerch d’Ultraschallbehandlungszon passéiere kann. Hielscher gëtt un, datt seng Ultraschallprozessoren esouwuel fir d’Veraarbechtung a Chargen wéi och fir déi kontinuéierlech Inline-Veraarbechtung disponibel sinn, vu Labor- an Dëschapparater bis hin zum vollen industrielle Moossstaf.

Fir d’supramolekular Chimie an d’cheemesch Ingenieurswiese bitt d’Inline-Ultraschallbehandlung verschidde Virdeeler:

• kontrolléiert Verweilzäit an der Kavitatiounszon
• verbessert Reproduzéierbarkeet am Verglach mat onkontrolléiertem Beweege vu Chargen
• bessert Wärmemanagement duerch Duerchflosszellen an extern Killung
• kontinuéierlech Veraarbechtung vu méi grousse Volumenen
• méi einfach Integratioun a bestoend cheemesch Produktiounslinnen
• skaléierbar Behandlungsintensitéit duerch d’Upassung vun der Duerchflossrate, der Amplitud an der Reakterkonfiguratioun

An der Chimie, déi vum Reaktiounswee ofhänkt, kënnen dës Parameteren entscheedend sinn. Wann e supramolekulare System op eng kuerz, intensiv Ultraschallbehandlung anescht reagéiert wéi op eng länger, schounend Ultraschallbehandlung, bitt d’Inline-Veraarbechtung den technesche Kader, fir dës Belaaschtung ze definéieren an ze reproduzéieren.

Linear Moossstafsvergréisserung: Vum sonocheemesche Screening bis zur Produktioun

D’Hielscher Ultraschalltechnologie ass fir d’Moossstafsvergréisserung vu Laborversich bis hin zur industrieller Veraarbechtung entworf. Fir grouss Systemer kënne Prozessparameteren ewéi Amplitud, Drock an Temperatur a méi klengen Opstellungen optimiséiert an duerno op Ausrüstung mat méi héijer Veraarbechtungskapazitéit iwwerdroe ginn. Hielscher beschreift d’Effizienz vum Ultraschallprozess als linear skaléierbar, nodeems déi optimal Parameterkonfiguratioun identifizéiert gouf.
Dës Méiglechkeet vun enger linearer Moossstafsvergréisserung ass besonnesch wichteg fir Chemiker a Prozessingenieuren, déi mat empfindleche supramolekulare Systemer schaffen. Materialien, déi sech selwer zesummegesat hunn, hänken dacks vun enke Prozessfënsteren of. Eng Ännerung vun der Mëschintensitéit, der Verweilzäit, dem Temperaturprofil oder der Energiedicht kann d’Produktmorphologie veränneren. Skaléierbar Ultraschallsystemer hëllefen, dëse Risiko ze reduzéieren, andeems se definéiert Ultraschallbehandlungsbedéngunge bäibehalen, wann de Prozess vu Milliliter op Liter a schliisslech op Duerchflossraten am Produktiounsmoossstaf iwwergeet.
Hielscher bitt och industriell Inline-Reakteren ewéi de MultiSonoReactor fir d’Inline-Ultraschallbehandlung mat héijer Veraarbechtungskapazitéit un. Dës Systemer si fir Uwendungen ewéi Homogeniséierung, Mëschen, Dispergéierung, Extraktioun a sonocheemesch Reaktiounen entworf.

Wëssenschaftlech an industriell Relevanz vu supramolekulare Polymorphen, déi mat Ultraschall synthetiséiert ginn

D’Etüd iwwer den ultraschallgesteierte supramolekulare Polymorphismus ass bedeitend, well si weist, wéi Ultraschalleffekter an der Chimie kënne benotzt ginn, fir aus deem selwechte molekulare System verschidde Materialzoustänn ze kréien. Amplaz d’Moleküll ze veränneren, hunn d’Fuerscher d’Prozessbedéngunge geännert. Genee hei gëtt d’Ultraschallbehandlung fir d’industriell Chimie attraktiv: Si kann d’Resultater duerch Prozessintensivéierung verbesseren, amplaz zousätzlech Synthesschrëtt ze erfuerderen.
Fir d’wëssenschaftlech Fuerschung droen d’Resultater zu engem méi déiwe Verständnis vun der chiraler Selbstassembléierung, dem kinetesche Verbleiwen a gefaangenen Zoustänn, der thermodynamescher Kontroll a supramolekularen Energielandschafte bäi. Fir d’Industrie kënnen déi selwecht Prinzipien e verbessert Screening vu Polymorphen, eng méi séier Entwécklung vu funktionelle Materialien, eng besser Kontroll iwwer d’Morphologie vun Aggregater an eng méi reproduzéierbar Veraarbechtung vu fortgeschrattene cheemesche Systemer ënnerstëtzen.

An der Praxis kann d’Ultraschallbehandlung Chemiker a Chimieingenieuren dobäi hëllefen:

• Ëmwandlunge bei der Selbstassembléierung ze beschleunegen
• Aggregatiounsweeër ze fërderen, déi soss net zougänglech sinn
• d’Reproduzéierbarkeet a Systemer ze verbesseren, déi vum Bildungswee ofhänken
• d’Ofhängegkeet vu laangen Zäite fir d’Astelle vum Gläichgewiicht ze reduzéieren
• kinetesch an thermodynamesch Produktzoustänn duerch Screening z’ënnersichen
• villverspriechend Laboresultater an Inline-Prozesser ze iwwerdroen

Ultraschallveraarbechtung als Technologie, déi nei Méiglechkeeten opmécht

Leeschtungsultraschall ass eng Technologie, déi nei Méiglechkeete fir d’supramolekular Chimie opmécht. Déi kontrolléiert Aféierung vun akustescher Energie kann d’molekular Organisatioun vu komplexe Systemer beaflossen a Strukturen zougänglech maachen, déi eleng duerch konventionellt Réieren oder thermesch Behandlung schwéier ze kréie sinn.
Mat dem Hielscher UP50H weist déi zitéiert Etüd de Wäert vun enger preziser Ultraschallbehandlung am Labo fir d’supramolekular Grondlagefuerschung. Mat de gréissere Benchtop- an industriellen Ultraschallapparater vun Hielscher kann déi selwecht Technologieplattform op d’Prozessoptimiséierung, d’Inline-Behandlung an d’linear Moossstabsvergréisserung ausgedeent ginn.
Fir Chemiker mécht dëst nei experimentell Weeër fir d’Selbstassembléierung an d’Kontroll vu Polymorphen op. Fir Chimieingenieure bitt et e skaléierbaart Prozessinstrument, fir Ultraschalleffekter an der Chimie an zouverlässeg Produktiounsstrategien ëmzesetzen.

Déi follgend Tabell gëtt Iech en Unhaltspunkt fir déi ongeféier Veraarbechtungskapazitéit vun eisen Ultraschallapparater:

Design, Fabrikatioun a Berodung – Qualitéit aus Däitschland

D’Ultraschallapparater vun Hielscher si fir hir héchst Qualitéits- an Designstandarde bekannt. Robustheet an einfach Bedéngung erméiglechen eng reiwungslos Integratioun vun eisen Ultraschallapparater an industriell Anlagen. D’Ultraschallapparater vun Hielscher meeschteren haart Bedéngungen an usprochsvoll Ëmfeld mat Liichtegkeet.

Hielscher Ultrasonics ass eng ISO-zertifizéiert Entreprise a leet besonnesche Wäert op héichleeschtungsfäeg Ultraschallapparater mat modernster Technologie a Benotzerfrëndlechkeet. Selbstverständlech sinn d’Ultraschallapparater vun Hielscher CE-konform an erfëllen d’Ufuerderunge vun UL, CSA a RoHs.

Literatur / Referenzen

• 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.