Ultrasone behandeling opent nieuwe wegen in de supramoleculaire chemie

Supramoleculaire chemie is gebaseerd op zwakke, omkeerbare interacties: waterstofbruggen, π–π-stapeling, van der Waals-krachten, solvofobe effecten en chirale herkenning. Dankzij deze interacties kunnen moleculen zich zelf organiseren tot grotere structuren, zoals vezels, staafjes, gels, aggregaten en supramoleculaire polymeren. Voor chemici en chemisch ingenieurs bestaat de uitdaging er niet alleen in om dergelijke structuren te vormen, maar ook om te bepalen welke structuur ontstaat, hoe snel deze ontstaat en of deze kinetisch gevangen blijft of de thermodynamisch meest stabiele toestand bereikt.

Ultrasone effecten in de scheikunde: ultrasone behandeling beïnvloedt supramoleculaire zelfassemblage

Een wetenschappelijke studie van Wehner et al. (2020), gepubliceerd in *Nature Communications*, toont aan dat ultrasone behandeling kan worden ingezet als een krachtige externe stimulus om zelfassemblageprocessen in de supramoleculaire chemie te sturen. De onderzoekers bestudeerden een racemisch mengsel van chirale peryleenbisimidemoleculen en toonden aan dat ultrasone behandeling de vorming van verschillende supramoleculaire polymorfen kon sturen. Afhankelijk van de ultrasone omstandigheden produceerde het systeem verschillende zelfgeassembleerde structuren, waaronder kinetisch gestuurde conglomeraten en een thermodynamisch stabiel racemisch supramoleculair polymeer. In het onderzoek werd expliciet gebruikgemaakt van een Hielscher UP50H ultrasone processor voor de ultrasone behandeling, die werd gebruikt bij 30 kHz, 50 W en 100% amplitude.
Dit resultaat is van groot belang voor de moderne materiaalchemie, omdat het aantoont dat ultrageluid niet louter een middel is om stoffen te mengen of te dispergeren. Onder nauwkeurig gedefinieerde omstandigheden kan ultrasone behandeling fungeren als een procesparameter voor het sturen van moleculaire processen.

Waarom ultrasone effecten van belang zijn in de scheikunde

Ultrasone effecten in de scheikunde worden voornamelijk veroorzaakt door akoestische cavitatie. Wanneer ultrasone golven met hoge intensiteit in een vloeistof worden ingebracht, ontstaan er door wisselende drukcycli microscopisch kleine cavitatiebellen. Hun groei en instorting leiden tot plaatselijke omstandigheden met hoge energie, intense microstromingen, sterke afschuifgradiënten en efficiënte massaoverdracht. In chemische en materiaalprocessen kunnen deze effecten invloed uitoefenen op nucleatie, aggregatie, de vorming van deeltjes, dispersie, kristallisatie en zelfassemblage.
In de supramoleculaire chemie is dit bijzonder waardevol, omdat veel systemen afhankelijk zijn van het verloop van het proces. Hetzelfde molecuul kan zich tot verschillende polymorfen samenvoegen, afhankelijk van de volgorde en intensiteit van de energietoevoer, de temperatuur, de concentratie, de samenstelling van het oplosmiddel en de tijd. Ultrasone behandeling biedt een controleerbare manier om mechanische energie in het systeem in te brengen zonder de moleculaire structuur van de bouwsteen te veranderen.
Voor chemische ingenieurs is dit een doorslaggevend voordeel: ultrasone trillingen kunnen worden geparametriseerd. Amplitude, vermogen, de geometrie van de sonotrode en de reactor, temperatuur, verblijftijd, druk en debiet kunnen worden aangepast, gemonitord en van haalbaarheidstests worden overgezet naar grotere verwerkingsvolumes.

Ultrasone behandeling als hulpmiddel voor het sturen van zelfassemblage

In het onderzoek werd de zelfassemblage van een racemisch mengsel van twee enantiomere peryleenbisimide-moleculen bestudeerd. Zonder de juiste externe prikkel kunnen dergelijke systemen een voorkeursroute voor aggregatie volgen of vast komen te zitten in metastabiele toestanden. Door gecontroleerde ultrasone behandeling toe te passen, konden de onderzoekers verschillende supramoleculaire uitkomsten bereiken.
De belangrijkste bevinding is eenvoudig maar veelzeggend: ultrasone behandeling veranderde het zelfassemblageproces. Bij specifieke temperaturen en concentraties bevorderde krachtige ultrasone trillingen de overgang van de ene aggregatietoestand naar de andere. Onder kinetische ultrasone trillingsomstandigheden vormde het systeem een supramoleculair conglomeraat. Onder thermodynamische ultrasone trillingsomstandigheden vormde het een racemisch supramoleculair polymeer met een andere morfologie en een hogere stabiliteit.
De wetenschappelijke betekenis ligt in de mogelijkheid om te beïnvloeden of homochirale of heterochirale aggregatie de overhand krijgt. De industriële betekenis ligt in het bredere concept: ultrasone behandeling kan helpen bij het sturen van de moleculaire organisatie, en niet alleen bij het versnellen van het verwerkingsproces.

Dit is van belang voor:

• supramoleculaire polymeren en functionele organische materialen
• onderzoek naar chirale aggregatie en de scheiding van racematen
• kristallisatie en polymorfonderzoek
• vorming van nanovezels, nanostaafjes en kleurstofaggregaten
• ontwikkeling van formuleringen en geavanceerde materiaalverwerking
• opschaling van chemische processen met behulp van ultrasone trillingen

De rol van Hielscher-sonicatoren in de supramoleculaire chemie

Voor het experimentele werk werd ultrasone behandeling uitgevoerd met de Hielscher UP50H, een compacte ultrasone processor voor laboratoriumgebruik. De UP50H is een ultrasone processor van het sondetype met een vermogen van 50 W en een frequentie van 30 kHz, ontworpen voor kleine laboratoriummonsters, en wordt gebruikt in chemische, biologische, medische en analytische laboratoria. Hielscher beschrijft de UP50H als geschikt voor gebruik in de hand of op een standaard en voor taken zoals het dispergeren, oplossen, emulgeren en homogeniseren van kleine monstervolumes.
In dit onderzoek leverde de UP50H de ultrasone energie die nodig was om de transformatie van supramoleculaire aggregaten op gang te brengen en te sturen. Dit illustreert een belangrijk praktisch aspect voor chemici: ultrasone behandeling in het laboratorium met kleine volumes kan procesvensters aan het licht brengen die anders moeilijk te identificeren zijn door alleen te roeren, te verwarmen of passief te laten rijpen.
Voor supramoleculaire chemie kunnen sondetype ultrasone apparaten, zoals de UP50H, daarom niet alleen worden gebruikt voor monstervoorbereiding, maar ook als actieve experimentele variabele. Door de temperatuur en de duur van de ultrasone behandeling te variëren, kunnen onderzoekers kinetische en thermodynamische regimes onderzoeken, aggregatieroutes screenen en metastabiele of stabiele polymorfen identificeren.
 

Spectroscopisch onderzoek naar het racemische mengsel van (R,R)- en (S,S)-PBI. a Chemische structuren van (R,R)- en (S,S)-PBI en een 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.
Onderzoek en schema: ©Wehner et al., 2020

Van laboratoriumontdekking tot schaalbare ultrasone verwerking

Een groot voordeel van de ultrasone apparaten van Hielscher is dat er ultrasone apparatuur beschikbaar is voor de gehele ontwikkelingsketen: van compacte laboratoriumapparaten tot tafelmodellen en industriële ultrasone verwerkers. Hielscher biedt ultrasone apparaten en sondes voor de verwerking van vloeistoffen, van laboratoriumschaal tot productieschaal, met toepassingen zoals chemische verwerking, verkleining van de deeltjesgrootte, extractie, dispersie en homogenisatie.
Dit is van belang omdat veel veelbelovende bevindingen op het gebied van sonochemie of supramoleculaire chemie niet verder komen dan het laboratorium wanneer het proces niet op grotere schaal kan worden gereproduceerd. De aanpak van Hielscher bij de ontwikkeling van ultrasone processen is gebaseerd op regelbare parameters en schaalbare apparatuurconfiguraties. Zodra een effectief ultrasoon procesvenster is vastgesteld, kan het proces worden overgezet naar grotere ultrasone systemen door de relevante energie-invoer en verwerkingsomstandigheden te handhaven.
Voor industriële gebruikers betekent dit dat ultrasone behandeling niet alleen als onderzoeksmethode, maar ook als procestechnologie kan worden beschouwd.

Inline-sonicatie voor continue chemische verwerking

Batch-sonicatie is geschikt voor laboratoriumonderzoek en optimalisatie op kleine schaal. Voor de chemische productie zijn echter vaak continue werking, reproduceerbaarheid en vastgestelde verblijftijden vereist. De 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 in de single-pass-modus of in de recirculatiemodus, waardoor de vloeistof één of meerdere keren door de ultrasone behandelingszone kan stromen. Hielscher geeft aan dat zijn ultrasone processors beschikbaar zijn voor zowel batch- als continue inline-verwerking, van laboratorium- en tafelmodellen tot volledige industriële schaal.

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

• geregelde verblijftijd in de cavitatiezone
• betere reproduceerbaarheid in vergelijking met ongecontroleerde batchroering
• beter warmtebeheer door middel van doorstroomcellen en externe koeling
• continue verwerking voor grotere volumes
• eenvoudigere integratie in bestaande chemische productielijnen
• schaalbare behandelingsintensiteit door aanpassing van het debiet, de amplitude en de reactorconfiguratie

In de pathway-afhankelijke chemie kunnen deze parameters van cruciaal belang zijn. Als een supramoleculair systeem anders reageert op korte, intense ultrasone behandeling dan op langdurige, milde ultrasone behandeling, biedt inline-verwerking het technische kader om die blootstelling te definiëren en te reproduceren.

Lineaire opschaling: van sonochemische screening tot productie

De ultrasone technologie van Hielscher is ontworpen voor opschaling van laboratoriumproeven naar industriële verwerking. Bij grote systemen kunnen procesparameters zoals amplitude, druk en temperatuur in kleinere opstellingen worden geoptimaliseerd en vervolgens worden overgedragen naar apparatuur met een hogere doorvoercapaciteit. Hielscher beschrijft de efficiëntie van het ultrasone proces als lineair schaalbaar nadat de optimale parameterconfiguratie is vastgesteld.
Dit vermogen tot lineaire opschaling is vooral belangrijk voor chemici en procesingenieurs die werken met gevoelige supramoleculaire systemen. Zelfassemblerende materialen zijn vaak afhankelijk van nauwe procesvensters. Een verandering in mengintensiteit, verblijftijd, temperatuurprofiel of energiedichtheid kan de morfologie van het product beïnvloeden. Schaalbare ultrasone systemen helpen dit risico te verminderen door de gedefinieerde ultrasone bewerkingsomstandigheden te handhaven terwijl het proces wordt opgeschaald van milliliters naar liters en uiteindelijk naar debieten op productieschaal.
Hielscher biedt ook industriële inline-reactoren aan, zoals de MultiSonoReactor voor inline-sonicatie met hoge doorvoercapaciteit. Deze systemen zijn ontworpen voor toepassingen zoals homogenisatie, mengen, dispersie, extractie en sonochemische reacties.

Wetenschappelijke en industriële relevantie van door middel van ultrasone synthese verkregen supramoleculaire polymorfen

Het onderzoek naar door ultrasone golven gestuurd supramoleculair polymorfisme is van groot belang omdat het aantoont hoe ultrasone effecten in de scheikunde kunnen worden gebruikt om vanuit hetzelfde moleculaire systeem verschillende materiaaltoestanden te verkrijgen. In plaats van het molecuul te veranderen, hebben de onderzoekers de procesomstandigheden aangepast. Juist dit maakt ultrasone behandeling aantrekkelijk voor de industriële chemie: het kan de resultaten verbeteren door middel van procesintensivering in plaats van extra synthesestappen.
Voor wetenschappelijk onderzoek dragen de bevindingen bij aan een beter begrip van chirale zelfassemblage, kinetische insluiting, thermodynamische regeling en supramoleculaire energielandschappen. Voor de industrie kunnen dezelfde principes leiden tot een verbeterde screening van polymorfen, een snellere ontwikkeling van functionele materialen, een betere beheersing van de morfologie van aggregaten en een beter reproduceerbare verwerking van geavanceerde chemische systemen.

In de praktijk kan ultrasone behandeling chemici en chemische ingenieurs helpen bij:

• transformaties door zelfassemblage versnellen
• anderszins ontoegankelijke aggregatieroutes bevorderen
• de reproduceerbaarheid in pathway-afhankelijke systemen verbeteren
• de afhankelijkheid van lange evenwichtstijden verminderen
• kinetische en thermodynamische producttoestanden weergeven
• veelbelovende laboratoriumresultaten omzetten in inline-processen

Ultrasone verwerking als basis technologie

Krachtultrasoon is een basistechnologie voor supramoleculaire chemie. Door op gecontroleerde wijze akoestische energie toe te voeren, kan de moleculaire organisatie van complexe systemen worden beïnvloed en kunnen structuren worden gecreëerd die moeilijk te verkrijgen zijn door alleen gebruik te maken van conventioneel roeren of thermische behandeling.
Aan de hand van de Hielscher UP50H toont het genoemde onderzoek de waarde aan van nauwkeurige ultrasone behandeling in het laboratorium voor fundamenteel supramoleculair onderzoek. Met de grotere tafelmodellen en industriële ultrasone apparaten van Hielscher kan hetzelfde technologieplatform worden uitgebreid naar procesoptimalisatie, inline-behandeling en lineaire opschaling.
Voor chemici opent dit nieuwe experimentele wegen op het gebied van zelfassemblage en de beheersing van polymorfen. Voor chemische ingenieurs biedt het een schaalbaar procesinstrument om ultrasone effecten in de chemie om te zetten in betrouwbare productiestrategieën.

De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines:

Ontwerp, productie en advies – Kwaliteit Made in Germany

Hielscher ultrasone machines staan bekend om hun hoge kwaliteit en ontwerpnormen. Robuustheid en eenvoudige bediening zorgen voor een soepele integratie van onze ultrasoonapparatuur in industriële faciliteiten. Ruwe omstandigheden en veeleisende omgevingen worden gemakkelijk door Hielscher ultrasoontoestellen aangepakt.

Hielscher Ultrasonics is een ISO-gecertificeerd bedrijf en legt speciale nadruk op hoogwaardige ultrasone apparaten met state-of-the-art technologie en gebruiksvriendelijkheid. Uiteraard zijn de Hielscher ultrasoonapparaten CE-conform en voldoen ze aan de eisen van UL, CSA en RoHs.

Literatuur / Referenties