A sonicação abre novas vias na química supramolecular

A química supramolecular depende de interações fracas e reversíveis: ligações de hidrogénio, empilhamento π–π, forças de van der Waals, efeitos solvofóbicos e reconhecimento quiral. Estas interações permitem que as moléculas se auto-organizem em arquiteturas maiores, como fibras, bastonetes, géis, agregados e polímeros supramoleculares. Para os químicos e os engenheiros químicos, o desafio não é apenas formar estas estruturas, mas controlar qual a estrutura que se forma, a rapidez com que se forma e se permanece aprisionada cineticamente ou atinge o estado termodinamicamente mais estável.

Efeitos ultrassónicos na química: a sonicação controla a auto-organização supramolecular

Um estudo científico de Wehner et al. (2020), publicado na Nature Communications, demonstra que o tratamento ultrassónico pode ser utilizado como um poderoso estímulo externo para controlar as vias de auto-organização na química supramolecular. Os investigadores estudaram uma mistura racémica de moléculas quirais de bisimida de perileno e demonstraram que a sonicação podia orientar a formação de polimorfos supramoleculares distintos. Dependendo das condições ultrassónicas, o sistema produziu diferentes estruturas auto-organizadas, incluindo conglomerados controlados cineticamente e um polímero supramolecular racémico termodinamicamente estável. O estudo utilizou explicitamente um processador ultrassónico Hielscher UP50H para o tratamento ultrassónico, operado a 30 kHz, 50 W e 100% de amplitude.
Este resultado é altamente relevante para a química moderna dos materiais, porque demonstra que os ultrassons não são apenas uma ferramenta de mistura ou dispersão. Em condições bem definidas, a sonicação pode atuar como um parâmetro de processo para controlar as vias moleculares.

Porque são importantes os efeitos ultrassónicos na química

Os efeitos ultrassónicos na química são causados principalmente pela cavitação acústica. Quando se introduzem ultrassons de alta intensidade num líquido, os ciclos alternados de pressão geram bolhas microscópicas de cavitação. O seu crescimento e colapso produzem condições localizadas de elevada energia, microcorrentes intensas, fortes gradientes de cisalhamento e uma transferência de massa eficiente. Nos processos químicos e de materiais, estes efeitos podem influenciar a nucleação, a agregação, a formação de partículas, a dispersão, a cristalização e a auto-organização.
Na química supramolecular, isto é particularmente valioso porque muitos sistemas dependem da via seguida. A mesma molécula pode organizar-se em diferentes polimorfos, dependendo da ordem e da intensidade do fornecimento de energia, da temperatura, da concentração, da composição do solvente e do tempo. A sonicação proporciona uma forma controlável de introduzir energia mecânica no sistema sem alterar a estrutura molecular da unidade constituinte.
Para os engenheiros químicos, esta é uma vantagem decisiva: os ultrassons podem ser parametrizados. A amplitude, a potência, a geometria do sonotrodo e do reator, a temperatura, o tempo de residência, a pressão e o caudal podem ser ajustados, monitorizados e transferidos dos ensaios de viabilidade para volumes de processamento maiores.

A sonicação como ferramenta para controlar a auto-organização

O estudo examinou a auto-organização de uma mistura racémica de duas moléculas enantioméricas de bisimida de perileno. Na ausência do estímulo externo adequado, estes sistemas podem seguir uma via de agregação preferencial ou ficar aprisionados em estados metaestáveis. Ao aplicar um tratamento ultrassónico controlado, os investigadores conseguiram obter diferentes resultados supramoleculares.
A principal conclusão é simples, mas poderosa: a sonicação alterou a via de auto-organização. A temperaturas e concentrações específicas, os ultrassons de potência promoveram a transformação de um estado de agregação noutro. Em condições de sonicação sob controlo cinético, o sistema formou um conglomerado supramolecular. Em condições de sonicação sob controlo termodinâmico, formou um polímero supramolecular racémico com uma morfologia diferente e maior estabilidade.
O impacto científico reside na capacidade de influenciar a predominância da agregação homoquiral ou heteroquiral. O impacto industrial reside no conceito mais amplo: a sonicação pode ajudar a orientar a organização molecular, e não apenas a acelerar o processamento.

Isto é relevante para:

• polímeros supramoleculares e materiais orgânicos funcionais
• investigação sobre agregação quiral e resolução de racematos
• cristalização e rastreio de polimorfos
• formação de nanofibras, nanobastonetes e agregados de corantes
• desenvolvimento de formulações e processamento de materiais avançados
• aumento de escala de processos químicos assistidos por ultrassons

O papel dos sonicadores Hielscher na química supramolecular

Para o trabalho experimental, o tratamento ultrassónico foi realizado com o Hielscher UP50H, um processador ultrassónico compacto de laboratório. O UP50H é um sonicador de sonda de 50 W e 30 kHz, concebido para pequenas amostras de laboratório e utilizado em laboratórios químicos, biológicos, médicos e analíticos. A Hielscher descreve o UP50H como adequado para utilização manual ou montado num suporte e para tarefas como dispersar, dissolver, emulsionar e homogeneizar pequenos volumes de amostra.
Neste estudo, o UP50H forneceu a energia ultrassónica necessária para desencadear e orientar a transformação dos agregados supramoleculares. Isto ilustra um aspeto prático importante para os químicos: a sonicação laboratorial de pequenos volumes pode revelar janelas de processo que, de outro modo, são difíceis de identificar apenas por agitação, aquecimento ou envelhecimento passivo.
Na química supramolecular, os sonicadores de sonda, como o UP50H, podem, por isso, ser utilizados não só para preparar amostras, mas também como uma variável experimental ativa. Ao alterar a temperatura e a duração da sonicação, os investigadores podem estudar regimes cinéticos e termodinâmicos, rastrear vias de agregação e identificar polimorfos metaestáveis ou estáveis.
 

Estudos espectroscópicos da mistura racémica de (R,R)- e (S,S)-PBI. a Estruturas químicas de (R,R)- e (S,S)-PBI e representação esquemática da polimerização supramolecular induzida por ultrassons da mistura racémica de (R,R)- e (S,S)-PBI nos conglomerados Con-Agg 1 e Con-Agg 2 e no polímero supramolecular racémico Rac-Agg 4.
Estudo e esquema: ©Wehner et al., 2020

Da descoberta laboratorial ao processamento ultrassónico escalável

Uma grande vantagem dos sonicadores Hielscher é a disponibilidade de equipamento ultrassónico ao longo de toda a cadeia de desenvolvimento: desde dispositivos compactos de laboratório até sistemas de bancada e processadores ultrassónicos industriais. A Hielscher oferece sonicadores e sondas para o processamento de líquidos, da escala laboratorial à escala de produção, com aplicações que incluem processamento químico, redução do tamanho de partículas, extração, dispersão e homogeneização.
Isto é importante porque muitos resultados sonoquímicos ou supramoleculares promissores não ultrapassam a fase laboratorial quando o processo não pode ser reproduzido a uma escala maior. A abordagem da Hielscher ao desenvolvimento de processos ultrassónicos baseia-se em parâmetros controláveis e configurações de equipamento escaláveis. Uma vez identificada uma janela eficaz de processo ultrassónico, o processo pode ser transferido para sistemas ultrassónicos maiores, mantendo o fornecimento de energia e as condições de processamento relevantes.
Para os utilizadores industriais, isto significa que a sonicação pode ser considerada não só um método de investigação, mas também uma tecnologia de processo.

Sonicação em linha para processamento químico contínuo

A sonicação em lote é útil para o rastreio laboratorial e a otimização de pequenos volumes. No entanto, a produção química exige frequentemente funcionamento contínuo, reprodutibilidade e tempos de residência definidos. Os sistemas ultrassónicos Hielscher permitem a sonicação em linha, na qual os líquidos são bombeados através de uma célula de fluxo ultrassónica ou de um reator e expostos ao campo de cavitação em condições controladas.
A sonicação em linha pode ser realizada em modo de passagem única ou em modo de recirculação, permitindo que o líquido passe uma ou várias vezes pela zona de tratamento ultrassónico. A Hielscher afirma que os seus processadores ultrassónicos estão disponíveis tanto para processamento em lote como para processamento contínuo em linha, desde unidades de laboratório e de bancada até à escala industrial plena.

Para a química supramolecular e a engenharia química, a sonicação em linha oferece várias vantagens:

• tempo de residência controlado na zona de cavitação
• melhor reprodutibilidade em comparação com a agitação não controlada em lote
• melhor gestão térmica através de células de fluxo e arrefecimento externo
• processamento contínuo de volumes maiores
• integração mais fácil nas linhas de produção química existentes
• intensidade de tratamento escalável através do ajuste do caudal, da amplitude e da configuração do reator

Na química dependente da via seguida, estes parâmetros podem ser críticos. Se um sistema supramolecular responder de forma diferente a uma sonicação curta e intensa e a uma sonicação suave e prolongada, o processamento em linha fornece os meios de engenharia para definir e reproduzir essa exposição.

Aumento linear de escala: do rastreio sonoquímico à produção

A tecnologia ultrassónica Hielscher foi concebida para o aumento de escala, desde os ensaios laboratoriais até ao processamento industrial. Para sistemas de grande dimensão, os parâmetros de processo, como a amplitude, a pressão e a temperatura, podem ser otimizados em instalações menores e depois transferidos para equipamento de maior capacidade de processamento. A Hielscher descreve a eficiência dos processos ultrassónicos como linearmente escalável após a identificação da configuração ótima dos parâmetros.
Esta capacidade de aumento linear de escala é especialmente importante para os químicos e os engenheiros de processo que trabalham com sistemas supramoleculares sensíveis. Os materiais auto-organizados dependem frequentemente de janelas de processo estreitas. Uma alteração na intensidade de mistura, no tempo de residência, no perfil de temperatura ou na densidade de energia pode alterar a morfologia do produto. Os sistemas ultrassónicos escaláveis ajudam a reduzir este risco ao preservar condições de sonicação definidas à medida que o processo passa de mililitros para litros e, por fim, para caudais à escala de produção.
A Hielscher também oferece reatores industriais em linha, como o MultiSonoReactor, para sonicação em linha com elevada capacidade de processamento. Estes sistemas foram concebidos para aplicações que incluem homogeneização, mistura, dispersão, extração e reações sonoquímicas.

Relevância científica e industrial dos polimorfos supramoleculares sintetizados por ultrassons

O estudo sobre o polimorfismo supramolecular controlado por ultrassons é significativo porque demonstra como os efeitos ultrassónicos na química podem ser utilizados para obter diferentes estados de um material a partir do mesmo sistema molecular. Em vez de alterar a molécula, os investigadores alteraram as condições do processo. É precisamente aqui que a sonicação se torna atrativa para a química industrial: pode melhorar os resultados através da intensificação do processo, em vez de recorrer a etapas adicionais de síntese.
Para a investigação científica, os resultados contribuem para uma compreensão mais profunda da auto-organização quiral, do aprisionamento cinético, do controlo termodinâmico e das paisagens energéticas supramoleculares. Para a indústria, os mesmos princípios podem contribuir para melhorar o rastreio de polimorfos, acelerar o desenvolvimento de materiais funcionais, melhorar o controlo da morfologia dos agregados e tornar mais reprodutível o processamento de sistemas químicos avançados.

Em termos práticos, a sonicação pode ajudar os químicos e os engenheiros químicos a:

• acelerar as transformações de auto-organização
• promover vias de agregação que, de outro modo, seriam inacessíveis
• melhorar a reprodutibilidade em sistemas dependentes da via seguida
• reduzir a dependência de longos tempos de equilibração
• rastrear estados cinéticos e termodinâmicos dos produtos
• transferir resultados laboratoriais promissores para processos em linha

O processamento ultrassónico como tecnologia facilitadora

Os ultrassons de potência são uma tecnologia facilitadora para a química supramolecular. O fornecimento controlado de energia acústica pode influenciar a organização molecular de sistemas complexos e permitir o acesso a estruturas difíceis de obter apenas por agitação convencional ou tratamento térmico.
Com o Hielscher UP50H, o estudo citado demonstra o valor da sonicação laboratorial precisa para a investigação fundamental em química supramolecular. Com os sonicadores de bancada e industriais de maior dimensão da Hielscher, a mesma plataforma tecnológica pode ser alargada à otimização de processos, ao tratamento em linha e ao aumento linear de escala.
Para os químicos, isto abre novas vias experimentais na auto-organização e no controlo de polimorfos. Para os engenheiros químicos, proporciona uma ferramenta de processo escalável para transformar os efeitos ultrassónicos na química em estratégias de produção fiáveis.

A tabela abaixo dá uma indicação da capacidade aproximada de processamento dos nossos sonicadores:

Conceção, fabrico e consultoria – qualidade fabricada na Alemanha

Os sonicadores Hielscher são bem conhecidos pelos seus padrões de qualidade e conceção do mais alto nível. A robustez e a facilidade de utilização permitem a integração harmoniosa dos nossos sonicadores em instalações industriais. Os sonicadores Hielscher lidam facilmente com condições adversas e ambientes exigentes.

A Hielscher Ultrasonics é uma empresa certificada segundo normas ISO e dá especial ênfase a sonicadores de elevado desempenho com tecnologia de ponta e facilidade de utilização. Naturalmente, os sonicadores Hielscher estão em conformidade com os requisitos CE e cumprem os requisitos de UL, CSA e RoHs.

Bibliografia / Referências

• 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.