Ultraskaņas apstrāde paver jaunas iespējas supramolekulārajā ķīmijā

Supramolekulārā ķīmija balstās uz vājām, atgriezeniskām mijiedarbībām: ūdeņraža saites, π–π sakārtošanās, van der Vāla spēki, solvofobiskie efekti un kirālās atpazīšanas. Šīs mijiedarbības ļauj molekulām pašorganizēties lielākās struktūrās, piemēram, šķiedrās, stienīšos, gēlos, agregātos un supramolekulāros polimēros. Ķīmiķiem un ķīmijas inženieriem izaicinājums ir ne tikai veidot šādas struktūras, bet arī kontrolēt, kāda struktūra veidojas, cik ātri tā veidojas un vai tā paliek kinētiski ieslodzīta vai sasniedz termodinamiski visstabilāko stāvokli.

Ultraskaņas ietekme ķīmijā: ultraskaņas apstrāde regulē supramolekulāro pašorganizēšanos

Wehner u.c. (2020) zinātniskajā pētījumā, kas publicēts žurnālā „Nature Communications“, pierādīts, ka ultraskaņas apstrāde var tikt izmantota kā spēcīgs ārējs stimuls, lai kontrolētu pašorganizēšanās procesus supramolekulārajā ķīmijā. Pētnieki izpētīja kirālo perilēna bisimīda molekulu racēmisko maisījumu un parādīja, ka ultraskaņas apstrāde var virzīt atšķirīgu supramolekulāro polimorfu veidošanos. Atkarībā no ultraskaņas apstākļiem sistēma radīja dažādas pašorganizētas struktūras, tostarp kinētiski kontrolētus konglomerātus un termodinamiski stabilu racēmisko supramolekulāro polimēru. Pētījumā ultraskaņas apstrādei tika izmantots Hielscher UP50H ultraskaņas procesors, kas darbojās ar 30 kHz frekvenci, 50 W jaudu un 100 % amplitūdu.
Šis rezultāts ir ļoti nozīmīgs mūsdienu materiālu ķīmijā, jo tas liecina, ka ultraskaņa nav vienkārši maisīšanas vai dispersijas līdzeklis. Precīzi noteiktos apstākļos ultraskaņas apstrāde var kalpot kā procesa parametrs molekulāro ceļu kontrolei.

Kāpēc ultraskaņas efekti ir svarīgi ķīmijā

Ultraskaņas ietekme ķīmijā galvenokārt rodas akustiskās kavitācijas dēļ. Kad šķidrumā tiek ievadīts augstas intensitātes ultraskaņas signāls, mainīgie spiediena cikli rada mikroskopiskus kavitācijas burbuļus. To izaugsme un sabrukums rada lokalizētus augstas enerģijas apstākļus, intensīvu mikrostraumēšanu, spēcīgus šķērsgriezuma gradientus un efektīvu masas pārnesi. Ķīmijas un materiālu apstrādes procesos šie efekti var ietekmēt kodolu veidošanos, agregāciju, daļiņu veidošanos, dispersiju, kristalizāciju un pašorganizēšanos.
Supramolekulārajā ķīmijā tas ir īpaši vērtīgi, jo daudzas sistēmas ir atkarīgas no reakcijas gaita. Viena un tā pati molekula var veidot dažādus polimorfus atkarībā no enerģijas pievades secības un intensitātes, temperatūras, koncentrācijas, šķīdinātāja sastāva un laika. Ultraskaņas apstrāde nodrošina kontrolējamu veidu, kā sistēmā ievadīt mehānisko enerģiju, nemainot sastāvdaļas molekulāro struktūru.
Ķīmijas inženieriem tas ir izšķirošs priekšrocība: ultraskaņu var parametrizēt. Amplitūdu, jaudu, sonotrodu un reaktora ģeometriju, temperatūru, uzturēšanās laiku, spiedienu un plūsmas ātrumu var regulēt, uzraudzīt un pārnest no realizējamības testiem uz lielākiem apstrādes apjomiem.

Ultraskaņas apstrāde kā līdzeklis pašorganizācijas kontrolei

Pētījumā tika izpētīta divu enantiomēru perilēna bisimīda molekulu racēmiskā maisījuma pašorganizācija. Ja nav piemērota ārēja stimula, šādas sistēmas var izvēlēties vēlamo agregācijas ceļu vai nonākt metastabilos stāvokļos. Pielietojot kontrolētu ultraskaņas iedarbību, pētniekiem izdevās panākt dažādus supramolekulārus rezultātus.
Galvenais secinājums ir vienkāršs, taču pārliecinošs: ultraskaņas iedarbība mainīja pašorganizēšanās procesu. Noteiktās temperatūrās un koncentrācijās jaudīgais ultraskaņas viļņu iedarbība veicināja pāreju no viena agregātstāvokļa uz citu. Kinētiskos ultraskaņas apstākļos sistēma veidoja supramolekulāru konglomerātu. Termodinamiskos ultraskaņas apstākļos tā veidoja racēmisku supramolekulāru polimēru ar atšķirīgu morfoloģiju un augstāku stabilitāti.
Zinātniskā nozīme slēpjas spējā ietekmēt to, vai dominē homohirāla vai heterochirāla agregācija. Rūpnieciskā nozīme slēpjas plašākā koncepcijā: ultraskaņas apstrāde var palīdzēt virzīt molekulāro organizāciju, nevis tikai paātrināt apstrādes procesu.

Tas attiecas uz:

• supramolekulārie polimēri un funkcionālie organiskie materiāli
• pētījumi par kirālo agregāciju un racemātu atdalīšanu
• kristalizācija un polimorfu skrīnings
• nanošķiedru, nanostieņu un krāsvielu agregātu veidošanās
• formulējumu izstrāde un modernu materiālu apstrāde
• ultraskaņas atbalstītu ķīmisko procesu mēroga palielināšana

Hielscher ultraskaņas iekārtu loma supramolekulārajā ķīmijā

Eksperimentālajos darbos ultraskaņas apstrāde tika veikta ar Hielscher UP50H — kompakto laboratorijas ultraskaņas procesoru. UP50H ir 50 W jaudas, 30 kHz frekvences zondes tipa ultraskaņas iekārta, kas paredzēta nelieliem laboratorijas paraugiem un ko izmanto ķīmiskajās, bioloģiskajās, medicīniskajās un analītiskajās laboratorijās. Hielscher apraksta UP50H kā ierīci, kas piemērota darbam gan rokās, gan uz statņa, kā arī tādiem uzdevumiem kā nelielu paraugu apjomu disperģēšana, izšķīdināšana, emulgēšana un homogenizēšana.
Šajā pētījumā UP50H nodrošināja ultraskaņas enerģiju, kas bija nepieciešama, lai izraisītu un virzītu supramolekulāro agregātu pārveidošanos. Tas ilustrē ķīmiķiem svarīgu praktisku aspektu: neliela apjoma ultraskaņas apstrāde laboratorijas apstākļos var atklāt procesa iespējas, kuras citādi ir grūti identificēt, izmantojot vienīgi maisīšanu, sildīšanu vai pasīvu nogatavināšanu.
Tādējādi supramolekulārajā ķīmijā zondes tipa ultraskaņas iekārtas, piemēram, UP50H, var izmantot ne tikai paraugu sagatavošanai, bet arī kā aktīvu eksperimentālo mainīgo. Mainot ultraskaņas apstrādes temperatūru un ilgumu, pētnieki var izpētīt kinētiskos un termodinamiskos režīmus, izvērtēt agregācijas ceļus un identificēt metastabilus vai stabilus polimorfus.
 

(R,R)- un (S,S)-PBI racēmiskā maisījuma spektroskopiskie pētījumi. a (R,R)- un (S,S)-PBI ķīmiskās struktūras un (R,R)- un (S,S)-PBI ultraskaņas iedarbībā notiekošās supramolekulārās polimerizācijas shēmatisks attēlojums, kuras rezultātā veidojas konglomerāti Con-Agg 1 un Con-Agg 2, kā arī racēmiskais supramolekulārais polimērs Rac-Agg 4.
Pētījums un shēma: ©Wehner et al., 2020

No laboratorijas atklājumiem līdz mērogojamai ultraskaņas apstrādei

Viena no galvenajām Hielscher ultraskaņas iekārtu priekšrocībām ir ultraskaņas aprīkojuma pieejamība visā attīstības ķēdē: sākot no kompaktiem laboratorijas aparātiem līdz galda sistēmām un rūpnieciskajiem ultraskaņas procesoriem. Hielscher piedāvā ultraskaņas iekārtas un zondes šķidrumu apstrādei gan laboratorijas, gan ražošanas mērogā, un to pielietojuma jomas ietver ķīmisko apstrādi, daļiņu izmēra samazināšanu, ekstrakciju, disperģēšanu un homogenizāciju.
Tas ir svarīgi, jo daudzi daudzsološi sonokīmiski vai supramolekulāri atklājumi neizkļūst ārpus laboratorijas, ja procesu nav iespējams reproducēt lielākā mērogā. Hielscher pieeja ultraskaņas procesu izstrādei balstās uz kontrolējamiem parametriem un skalējamiem iekārtu konfigurācijām. Tiklīdz ir identificēts efektīvs ultraskaņas procesa darbības diapazons, procesu var pārnest uz lielākām ultraskaņas sistēmām, saglabājot atbilstošo enerģijas patēriņu un apstrādes apstākļus.
Rūpnieciskajiem lietotājiem tas nozīmē, ka ultraskaņas apstrādi var uzskatīt ne tikai par pētniecības metodi, bet arī par ražošanas tehnoloģiju.

Inline ultraskaņas apstrāde nepārtrauktai ķīmiskajai pārstrādei

Sērijveida ultraskaņas apstrāde ir noderīga laboratorijas skrīningam un optimizācijai nelielos apjomos. Tomēr ķīmiskajā ražošanā bieži vien ir nepieciešama nepārtraukta darbība, reproducējamība un noteikti uzturēšanās laiki. Hielscher ultraskaņas sistēmas atbalsta ultraskaņas apstrādi plūsmas režīmā, kurā šķidrumi tiek sūknēti caur ultraskaņas plūsmas šūnu vai reaktoru un kontrolētos apstākļos tiek pakļauti kavitācijas laukam.
Inline ultraskaņas apstrāde var tikt veikta vienreizējās caurplūdes režīmā vai recirkulācijas režīmā, ļaujot šķidrumam vienu vai vairākas reizes plūst cauri ultraskaņas apstrādes zonai. Uzņēmums „Hielscher“ norāda, ka tā ultraskaņas procesori ir pieejami gan partiju, gan nepārtrauktai inline apstrādei — sākot no laboratorijas un galda iekārtām līdz pilnvērtīgam rūpnieciskam mērogam.

Supramolekulārajā ķīmijā un ķīmijas inženierijā ultraskaņas apstrāde procesa laikā piedāvā vairākas priekšrocības:

• regulējams uzturēšanās laiks kavitācijas zonā
• uzlabota reproducējamība salīdzinājumā ar nekontrolētu partijas maisīšanu
• labāka siltuma vadība, izmantojot plūsmas šūnas un ārējo dzesēšanu
• nepārtraukta apstrāde lielākiem apjomiem
• vieglāka integrācija esošajās ķīmiskās ražošanas līnijās
• regulējama apstrādes intensitāte, mainot plūsmas ātrumu, amplitūdu un reaktora konfigurāciju

Ceļveida atkarīgajā ķīmijā šie parametri var būt izšķiroši. Ja supramolekulārā sistēma reaģē atšķirīgi uz īsu, intensīvu ultraskaņas apstrādi un uz ilgstošu, maigu ultraskaņas apstrādi, tad iekārtas integrētā apstrāde nodrošina inženiertehnisko pamatu, lai definētu un reproducētu šādu iedarbību.

Lineāra mēroga palielināšana: no sonohimiskās skrīninga līdz ražošanai

Hielscher ultraskaņas tehnoloģija ir paredzēta mēroga palielināšanai no laboratorijas testēšanas līdz rūpnieciskai pārstrādei. Lielām sistēmām procesa parametrus, piemēram, amplitūdu, spiedienu un temperatūru, var optimizēt mazākās iekārtās un pēc tam pārnest uz iekārtām ar lielāku jaudu. Hielscher apraksta ultraskaņas procesa efektivitāti kā lineāri mērogojamu pēc tam, kad ir noteikta optimālā parametru konfigurācija.
Šī lineārā mērogojamība ir īpaši svarīga ķīmiķiem un procesa inženieriem, kuri strādā ar jutīgām supramolekulārām sistēmām. Pašorganizējošos materiālos bieži ir svarīgi ievērot šauras procesa robežas. Jau nelielas izmaiņas maisīšanas intensitātē, uzturēšanās laikā, temperatūras profilā vai enerģijas blīvumā var izmainīt produkta morfoloģiju. Mērogojamas ultraskaņas sistēmas palīdz samazināt šo risku, saglabājot noteiktos ultraskaņas apstrādes apstākļus, kad process tiek paplašināts no mililitriem līdz litriem un, galu galā, līdz ražošanas mēroga plūsmas ātrumiem.
Hielscher piedāvā arī rūpnieciskos inline reaktorus, piemēram, MultiSonoReactor, kas paredzēts augstas caurlaidspējas inline ultraskaņas apstrādei. Šīs sistēmas ir paredzētas tādām lietojumprogrammām kā homogenizācija, sajaukšana, dispersija, ekstrakcija un sonokīmiskās reakcijas.

Ar ultraskaņas palīdzību sintezētu supramolekulāro polimorfu nozīme zinātnē un rūpniecībā

Pētījums par ultraskaņas kontrolētu supramolekulāro polimorfismu ir nozīmīgs, jo tas parāda, kā ķīmijā var izmantot ultraskaņas ietekmi, lai no vienas un tās pašas molekulārās sistēmas iegūtu dažādus vielas stāvokļus. Pētnieki nemainīja molekulu, bet gan procesa apstākļus. Tieši šajā aspektā ultraskaņas apstrāde kļūst pievilcīga rūpnieciskajai ķīmijai: tā var uzlabot rezultātus, intensificējot procesu, nevis veicot papildu sintēzes posmus.
Zinātniskās pētniecības jomā šie atklājumi veicina dziļāku izpratni par kirālo pašorganizēšanos, kinētisko ieslodzīšanu, termodinamisko kontroli un supramolekulārajiem enerģijas ainavām. Rūpniecībā šie paši principi var veicināt polimorfu uzlabotu atlasi, funkcionālo materiālu ātrāku izstrādi, labāku kontroli pār agregātu morfoloģiju un modernu ķīmisko sistēmu reproducējamāku apstrādi.

Praktiskā nozīmē ultraskaņas apstrāde var palīdzēt ķīmiķiem un ķīmijas inženieriem:

• paātrināt pašorganizācijas pārveidojumus
• veicināt citādi nepieejamus agregācijas ceļus
• uzlabot reproducējamību signālceļu atkarīgās sistēmās
• samazināt atkarību no ilgajiem līdzsvarošanās laikiem
• ekrāna kinētiskie un termodinamiskie produkta stāvokļi
• ievietot daudzsološos laboratorijas rezultātus ražošanas procesā

Ultraskaņas apstrāde kā pamattehnoloģija

Jaudīgais ultraskaņas viļņi ir tehnoloģija, kas paver jaunas iespējas supramolekulārajā ķīmijā. Kontrolēta akustiskās enerģijas pievade var ietekmēt sarežģītu sistēmu molekulāro organizāciju un nodrošināt piekļuvi struktūrām, kuras ir grūti iegūt, izmantojot vienīgi tradicionālo maisīšanu vai termisko apstrādi.
Izmantojot Hielscher UP50H, minētajā pētījumā tiek parādīta precīzas laboratorijas ultraskaņas apstrādes nozīme fundamentālajos supramolekulārajos pētījumos. Izmantojot Hielscher lielākus galda un rūpnieciskos ultraskaņas ģeneratorus, šo pašu tehnoloģisko platformu var paplašināt, lai veiktu procesu optimizāciju, apstrādi ražošanas procesa laikā un lineāru mēroga palielināšanu.
Ķīmiķiem tas paver jaunas eksperimentālās iespējas pašorganizācijas un polimorfu kontroles jomā. Ķīmijas inženieriem tas nodrošina mērogojamu procesa rīku, ar kura palīdzību ultraskaņas efektus ķīmijā var pārvērst uzticamās ražošanas stratēģijās.

Zemāk redzamajā tabulā ir sniegta norāde par mūsu ultrasonikatoru aptuveno apstrādes jaudu:

Projektēšana, ražošana un konsultācijas – Kvalitāte ražots Vācijā

Hielscher ultrasonikatori ir labi pazīstami ar saviem augstākajiem kvalitātes un dizaina standartiem. Robustums un viegla darbība ļauj vienmērīgi integrēt mūsu ultrasonikatorus rūpnieciskajās iekārtās. Hielscher ultrasonikatori viegli apstrādā neapstrādātus apstākļus un prasīgu vidi.

Hielscher Ultrasonics ir ISO sertificēts uzņēmums un īpašu uzsvaru liek uz augstas veiktspējas ultrasonikatoriem, kas piedāvā vismodernākās tehnoloģijas un lietotājdraudzīgumu. Protams, Hielscher ultrasonikatori atbilst CE prasībām un atbilst UL, CSA un RoHs prasībām.

Literatūra / Atsauces