Sonicatie opent nieuwe wegen in de supramoleculaire chemie

Supramoleculaire chemie berust op zwakke, omkeerbare interacties: waterstofbruggen, π–π-stapeling, van der Waals-krachten, solvofobe effecten en chirale herkenning. Deze interacties stellen moleculen in staat zichzelf te organiseren tot grotere architecturen zoals vezels, staafjes, gels, aggregaten en supramoleculaire polymeren. Voor chemici en chemisch ingenieurs is de uitdaging niet alleen om zulke structuren te vormen, maar ook om te beheersen welke structuur ontstaat, hoe snel deze ontstaat en of deze kinetisch gevangen blijft of de thermodynamisch meest stabiele toestand bereikt.

Ultrasone effecten in de chemie: sonicatie stuurt supramoleculaire zelfassemblage

Een wetenschappelijke studie van Wehner et al. (2020), gepubliceerd in Nature Communications, toont aan dat ultrasone behandeling kan worden gebruikt als krachtige externe prikkel om zelfassemblageroutes in de supramoleculaire chemie te sturen. De onderzoekers bestudeerden een racemisch mengsel van chirale peryleenbisimidemoleculen en toonden aan dat sonicatie de vorming van verschillende supramoleculaire polymorfen kon sturen. Afhankelijk van de ultrasone omstandigheden produceerde het systeem verschillende door zelfassemblage gevormde structuren, waaronder kinetisch gestuurde conglomeraten en een thermodynamisch stabiel racemisch supramoleculair polymeer. De studie gebruikte expliciet een Hielscher UP50H ultrasone processor voor de ultrasone behandeling, ingesteld op 30 kHz, 50 W en 100% amplitude.
Dit resultaat is zeer relevant voor de moderne materiaalchemie, omdat het laat zien dat ultrageluid meer is dan alleen een hulpmiddel voor mengen of dispergeren. Onder nauwkeurig gedefinieerde omstandigheden kan sonicatie fungeren als procesparameter voor het sturen van moleculaire routes.

Waarom ultrasone effecten belangrijk zijn in de chemie

Ultrasone effecten in de chemie worden voornamelijk veroorzaakt door akoestische cavitatie. Wanneer ultrageluid met hoge intensiteit in een vloeistof wordt ingebracht, ontstaan door afwisselende drukcycli microscopische cavitatiebellen. Hun groei en implosie veroorzaken plaatselijk energierijke omstandigheden, intense microstromingen, sterke afschuivingsgradiënten en efficiënte massaoverdracht. In chemische processen en materiaalprocessen kunnen deze effecten de kiemvorming, aggregatie, deeltjesvorming, dispersie, kristallisatie en zelfassemblage beïnvloeden.
In de supramoleculaire chemie is dit bijzonder waardevol, omdat veel systemen routeafhankelijk zijn. Hetzelfde molecuul kan zich tot verschillende polymorfen assembleren, afhankelijk van de volgorde en intensiteit van de energietoevoer, de temperatuur, de concentratie, de samenstelling van het oplosmiddel en de tijd. Sonicatie biedt een beheersbare manier om mechanische energie in het systeem in te brengen zonder de moleculaire structuur van de bouwsteen te veranderen.
Voor chemisch ingenieurs is dit een doorslaggevend voordeel: ultrageluid kan worden geparametriseerd. Amplitude, vermogen, geometrie van sonotrode en reactor, temperatuur, verblijftijd, druk en debiet kunnen worden aangepast, bewaakt en overgenomen van haalbaarheidstests naar grotere verwerkingsvolumes.

Sonicatie als hulpmiddel voor het sturen van zelfassemblage

De studie onderzocht de zelfassemblage van een racemisch mengsel van twee enantiomere peryleenbisimidemoleculen. Zonder de juiste externe prikkel kunnen dergelijke systemen een voorkeursroute voor aggregatie volgen of in metastabiele toestanden gevangen raken. Door gecontroleerde ultrasone behandeling toe te passen, konden de onderzoekers verschillende supramoleculaire uitkomsten bereiken.
De belangrijkste bevinding is eenvoudig maar krachtig: sonicatie veranderde de zelfassemblageroute. Bij specifieke temperaturen en concentraties bevorderde ultrageluid met hoog vermogen de omzetting van de ene aggregaattoestand naar de andere. Onder kinetische sonicatieomstandigheden vormde het systeem een supramoleculair conglomeraat. Onder thermodynamische sonicatieomstandigheden vormde het een racemisch supramoleculair polymeer met een andere morfologie en hogere stabiliteit.
De wetenschappelijke betekenis ligt in de mogelijkheid om te beïnvloeden of homochirale of heterochirale aggregatie domineert. De industriële betekenis ligt in het bredere concept: sonicatie kan helpen de moleculaire organisatie te sturen, naast het versnellen van de verwerking.

Dit is relevant voor:

• supramoleculaire polymeren en functionele organische materialen
• chirale aggregatie en onderzoek naar racemaatscheiding
• kristallisatie en screening van polymorfen
• vorming van nanovezels, nanostaafjes en kleurstofaggregaten
• formuleringsontwikkeling en geavanceerde materiaalverwerking
• opschaling van door ultrageluid ondersteunde chemische processen

De rol van sonicators van Hielscher in de supramoleculaire chemie

Voor het experimentele werk werd de ultrasone behandeling uitgevoerd met de Hielscher UP50H, een compacte ultrasone laboratoriumprocessor. De UP50H is een sonicator met sonde van 50 W en 30 kHz, ontworpen voor kleine laboratoriummonsters, die wordt gebruikt in chemische, biologische, medische en analytische laboratoria. Hielscher beschrijft de UP50H als geschikt voor gebruik in de hand of op een statief en voor taken zoals het dispergeren, oplossen, emulgeren en homogeniseren van kleine monstervolumes.
In deze studie leverde de UP50H de ultrasone energie die nodig was om de omzetting van supramoleculaire aggregaten op gang te brengen en te sturen. Dit illustreert een belangrijk praktisch punt voor chemici: sonicatie van kleine volumes in het laboratorium kan procesvensters blootleggen die anders moeilijk te identificeren zijn met alleen roeren, verwarmen of passieve veroudering.
Voor de supramoleculaire chemie kunnen sonicators met sonde zoals de UP50H daarom niet alleen voor monstervoorbereiding worden gebruikt, maar ook als actieve experimentele variabele. Door de sonicatietemperatuur en -duur te veranderen, kunnen onderzoekers kinetische en thermodynamische regimes onderzoeken, aggregatieroutes screenen en metastabiele of stabiele polymorfen identificeren.
 

Spectroscopische studies van het racemische mengsel van (R,R)- en (S,S)-PBI. a Chemische structuren van (R,R)- en (S,S)-PBI en schematische weergave van de door ultrageluid geïnduceerde supramoleculaire polymerisatie van het racemische mengsel van (R,R)- en (S,S)-PBI tot de conglomeraten Con-Agg 1 en Con-Agg 2 en het racemische supramoleculaire polymeer Rac-Agg 4.
Studie en schema: ©Wehner et al., 2020

Van ontdekking in het laboratorium naar schaalbare ultrasone verwerking

Een belangrijk voordeel van sonicators van Hielscher is de beschikbaarheid van ultrasone apparatuur voor de volledige ontwikkelingsketen: van compacte laboratoriumapparaten tot tafelmodellen en industriële ultrasone processors. Hielscher biedt sonicators en sondes voor vloeistofverwerking van laboratoriumschaal tot productieschaal, met toepassingen zoals chemische verwerking, verkleining van deeltjes, extractie, dispergeren en homogenisatie.
Dit is belangrijk, omdat veel veelbelovende sonochemische of supramoleculaire bevindingen het laboratorium niet ontgroeien wanneer het proces niet op grotere schaal kan worden gereproduceerd. De aanpak van Hielscher voor de ontwikkeling van ultrasone processen is gebaseerd op beheersbare parameters en schaalbare apparatuurconfiguraties. Zodra een effectief ultrasoon procesvenster is geïdentificeerd, kan het proces naar grotere ultrasone systemen worden overgebracht door de relevante energietoevoer en verwerkingsomstandigheden te handhaven.
Voor industriële gebruikers betekent dit dat sonicatie niet alleen als onderzoeksmethode, maar ook als procestechnologie kan worden beschouwd.

Inline sonicatie voor continue chemische verwerking

Batchsonicatie is nuttig voor screening in het laboratorium en optimalisatie van kleine volumes. Chemische productie vereist echter vaak continue werking, reproduceerbaarheid en gedefinieerde verblijftijden. Ultrasone systemen van Hielscher ondersteunen inline sonicatie, waarbij vloeistoffen door een ultrasone doorstroomcel of reactor worden gepompt en onder gecontroleerde omstandigheden aan het cavitatieveld worden blootgesteld.
Inline sonicatie kan worden uitgevoerd met eenmalige doorstroming of in recirculatiemodus, zodat de vloeistof eenmaal of meerdere keren door de ultrasone behandelingszone stroomt. Hielscher vermeldt dat zijn ultrasone processors beschikbaar zijn voor zowel batchverwerking als continue inline verwerking, van laboratoriumapparaten en tafelmodellen tot volledige industriële schaal.

Voor de supramoleculaire chemie en chemische technologie biedt inline sonicatie verschillende voordelen:

• gecontroleerde verblijftijd in de cavitatiezone
• verbeterde reproduceerbaarheid ten opzichte van ongecontroleerd roeren in batches
• betere warmtebeheersing door doorstroomcellen en externe koeling
• continue verwerking van grotere volumes
• eenvoudigere integratie in bestaande chemische productielijnen
• schaalbare behandelingsintensiteit door aanpassing van debiet, amplitude en reactorconfiguratie

In routeafhankelijke chemie kunnen deze parameters cruciaal zijn. Als een supramoleculair systeem anders reageert op korte, intense sonicatie dan op langdurige milde sonicatie, biedt inline verwerking het technische kader om die blootstelling te definiëren en te reproduceren.

Lineaire opschaling: van sonochemische screening naar productie

De ultrasone technologie van Hielscher is ontworpen voor opschaling van laboratoriumtests naar industriële verwerking. Voor grote systemen kunnen procesparameters zoals amplitude, druk en temperatuur in kleinere opstellingen worden geoptimaliseerd en vervolgens worden overgenomen in apparatuur met een hogere verwerkingscapaciteit. Hielscher beschrijft de efficiëntie van ultrasone processen als lineair schaalbaar nadat de optimale parameterconfiguratie is geïdentificeerd.
Deze mogelijkheid tot lineaire opschaling is vooral belangrijk voor chemici en procesingenieurs die met gevoelige supramoleculaire systemen werken. Door zelfassemblage gevormde materialen zijn vaak afhankelijk van nauwe procesvensters. Een verandering in mengintensiteit, verblijftijd, temperatuurprofiel of energiedichtheid kan de productmorfologie veranderen. Schaalbare ultrasone systemen helpen dit risico te verminderen door gedefinieerde sonicatieomstandigheden te handhaven wanneer het proces wordt opgeschaald van milliliters naar liters en uiteindelijk naar debieten op productieschaal.
Hielscher biedt ook industriële inline reactoren zoals de MultiSonoReactor voor inline sonicatie met een hoge verwerkingscapaciteit. Deze systemen zijn ontworpen voor toepassingen zoals homogenisatie, mengen, dispersie, extractie en sonochemische reacties.

Wetenschappelijke en industriële relevantie van ultrasoon gesynthetiseerde supramoleculaire polymorfen

De studie naar door ultrageluid gestuurd supramoleculair polymorfisme is van betekenis, omdat deze laat zien hoe ultrasone effecten in de chemie kunnen worden gebruikt om vanuit hetzelfde moleculaire systeem verschillende materiaaltoestanden te bereiken. In plaats van het molecuul te veranderen, veranderden de onderzoekers de procesomstandigheden. Juist hier wordt sonicatie aantrekkelijk voor de industriële chemie: ze kan resultaten verbeteren door procesintensivering in plaats van extra synthesestappen.
Voor wetenschappelijk onderzoek dragen de bevindingen bij aan een dieper inzicht in chirale zelfassemblage, kinetische insluiting, thermodynamische sturing en supramoleculaire energielandschappen. Voor de industrie kunnen dezelfde principes bijdragen aan verbeterde screening van polymorfen, snellere ontwikkeling van functionele materialen, betere beheersing van de aggregaatmorfologie en beter reproduceerbare verwerking van geavanceerde chemische systemen.

In de praktijk kan sonicatie chemici en chemisch ingenieurs helpen om:

• omzettingen via zelfassemblage te versnellen
• anders ontoegankelijke aggregatieroutes te bevorderen
• de reproduceerbaarheid in routeafhankelijke systemen te verbeteren
• de afhankelijkheid van lange tijden voor het bereiken van evenwicht te verminderen
• kinetische en thermodynamische producttoestanden te screenen
• veelbelovende laboratoriumresultaten naar inline processen over te brengen

Ultrasone verwerking als faciliterende technologie

Ultrageluid met hoog vermogen is een faciliterende technologie voor de supramoleculaire chemie. De gecontroleerde toevoer van akoestische energie kan de moleculaire organisatie van complexe systemen beïnvloeden en toegang bieden tot structuren die met alleen conventioneel roeren of thermische behandeling moeilijk te verkrijgen zijn.
Met de Hielscher UP50H toont de aangehaalde studie de waarde aan van nauwkeurige sonicatie in het laboratorium voor fundamenteel supramoleculair onderzoek. Met de grotere tafelmodellen en industriële sonicators van Hielscher kan hetzelfde technologieplatform worden uitgebreid naar procesoptimalisatie, inline behandeling en lineaire opschaling.
Voor chemici opent dit nieuwe experimentele routes voor zelfassemblage en het sturen van polymorfen. Voor chemisch ingenieurs biedt het een schaalbaar procesinstrument om ultrasone effecten in de chemie te vertalen naar betrouwbare productiestrategieën.

De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de verwerkingscapaciteit bij benadering van onze sonicators:

Ontwerp, productie en advies – kwaliteit gemaakt in Duitsland

Sonicators van Hielscher staan bekend om hun hoogste kwaliteits- en ontwerpnormen. Robuustheid en eenvoudige bediening maken een soepele integratie van onze sonicators in industriële installaties mogelijk. Sonicators van Hielscher kunnen ruwe omstandigheden en veeleisende omgevingen gemakkelijk aan.

Hielscher Ultrasonics is een ISO-gecertificeerd bedrijf en legt bijzondere nadruk op sonicators met hoge prestaties met de modernste technologie en gebruiksvriendelijkheid. Uiteraard voldoen sonicators van Hielscher aan de CE-vereisten en aan de eisen van UL, CSA en RoHs.

Literatuur / Referenties

• 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.