A sonicação abre novos caminhos na química supramolecular

A química supramolecular assenta em 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 de maior dimensão, tais como fibras, bastões, géis, agregados e polímeros supramoleculares. Para os químicos e engenheiros químicos, o desafio não consiste apenas em formar essas estruturas, mas também em controlar que estrutura se forma, a que velocidade se forma e se permanece cineticamente retida ou atinge o estado termodinamicamente mais estável.

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

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

Por que razão os efeitos ultrassónicos são importantes na química

Os efeitos ultrassónicos na química são causados principalmente pela cavitação acústica. Quando se introduz ultrassom de alta intensidade num líquido, os ciclos alternados de pressão geram bolhas de cavitação microscópicas. O seu crescimento e colapso produzem condições localizadas de alta 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-montagem.
Na química supramolecular, isto é particularmente valioso, uma vez que muitos sistemas dependem do percurso de formação. A mesma molécula pode formar diferentes polimorfos, dependendo da ordem e da intensidade da energia aplicada, 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 do bloco de construção.
Para os engenheiros químicos, esta é uma vantagem decisiva: o ultrassom pode ser parametrizado. A amplitude, a potência, a geometria do sonotrodo e do reator, a temperatura, o tempo de permanência, 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 o controlo da auto-montagem

O estudo analisou a auto-montagem de uma mistura racémica de duas moléculas enantioméricas de perileno bisimida. Na ausência do estímulo externo adequado, esses sistemas podem seguir uma via de agregação preferencial ou ficar retidos em estados metaestáveis. Através da aplicação de ultrassons controlados, os investigadores conseguiram obter diferentes resultados supramoleculares.
A principal conclusão é simples, mas impactante: a sonicação alterou o processo de auto-montagem. A determinadas temperaturas e concentrações, o ultrassom de potência promoveu a transformação de um estado agregado para outro. Em condições de sonicação cinética, o sistema formou um conglomerado supramolecular. Em condições de sonicação termodinâmica, formou um polímero supramolecular racémico com uma morfologia diferente e maior estabilidade.
O impacto científico reside na capacidade de influenciar se a agregação homoquiral ou heteroquiral prevalece. O impacto industrial reside num 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 a agregação quiral e a resolução de racematos
• cristalização e análise de polimorfos
• formação de nanofibras, nanobastões e agregados de corante
• desenvolvimento de formulações e processamento avançado de materiais
• ampliação de processos químicos assistidos por ultrassons

O papel dos sonicadores Hielscher na química supramolecular

Para o trabalho experimental, a ultrasonicagem foi realizada com o Hielscher UP50H, um processador ultrassónico compacto de laboratório. O UP50H é um sonicador do tipo 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 portátil ou montado em suporte e para tarefas como a dispersão, dissolução, emulsificação e homogeneização de pequenos volumes de amostra.
Neste estudo, o UP50H forneceu a energia ultrassónica necessária para desencadear e orientar a transformação de agregados supramoleculares. Isto ilustra um aspeto prático importante para os químicos: a sonicação em laboratório, em pequenos volumes, pode revelar janelas de processo que, de outra forma, seriam difíceis de identificar apenas através da agitação, do aquecimento ou do envelhecimento passivo.
No âmbito da química supramolecular, os sonicadores do tipo sonda, como o UP50H, podem, portanto, ser utilizados não só para a preparação de 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, analisar vias de agregação e identificar polimorfos metaestáveis ou estáveis.
 

Estudos espectroscópicos da mistura racémica de (R,R)- e (S,S)-PBI. a Estruturas químicas do (R,R)- e do (S,S)-PBI e representação esquemática da polimerização supramolecular induzida por ultrassons da mistura racémica do (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 em laboratório ao processamento ultrassónico em grande escala

Uma das principais vantagens dos sonicadores da Hielscher é a disponibilidade de equipamento ultrassónico ao longo de toda a cadeia de desenvolvimento: desde dispositivos laboratoriais compactos até sistemas de bancada e processadores ultrassónicos industriais. A Hielscher oferece sonificadores e sondas para o processamento de líquidos, desde a escala laboratorial até à escala de produção, com aplicações que incluem o processamento químico, a redução do tamanho das partículas, a extração, a dispersão e a homogeneização.
Isto é importante porque muitas descobertas promissoras na área da sonoquímica ou da supramolecularidade não conseguem sair do laboratório quando o processo não pode ser reproduzido em maior escala. A abordagem da Hielscher ao desenvolvimento de processos ultrassónicos baseia-se em parâmetros controláveis e em configurações de equipamento escaláveis. Assim que for identificada uma janela de processo ultrassónica eficaz, o processo pode ser transferido para sistemas ultrassónicos de maior dimensão, mantendo a entrada de energia e as condições de processamento relevantes.
Para os utilizadores industriais, isto significa que a sonicação pode ser considerada não só como um método de investigação, mas também como uma tecnologia de processo.

Sonicação em linha para o processamento químico contínuo

A sonicação em lote é útil para a triagem em laboratório e a otimização de pequenos volumes. No entanto, a produção química requer frequentemente um funcionamento contínuo, reprodutibilidade e tempos de permanência definidos. Os sistemas ultrassónicos da Hielscher permitem a sonicação em linha, em que 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 operada no modo de passagem única ou no 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 completa.

No que diz respeito à química supramolecular e à engenharia química, a sonicação em linha oferece várias vantagens:

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

Na química dependente de vias, estes parâmetros podem ser críticos. Se um sistema supramolecular responder de forma diferente a uma sonicação curta e intensa do que a uma sonicação prolongada e suave, o processamento em linha proporciona o quadro de engenharia necessário para definir e reproduzir essa exposição.

Escalamento linear: da triagem sonoquímica à produção

A tecnologia ultrassónica da Hielscher foi concebida para permitir a transição de ensaios laboratoriais para o processamento industrial. No caso de sistemas de grande dimensão, os parâmetros do processo, tais como a amplitude, a pressão e a temperatura, podem ser otimizados em configurações de menor escala e, posteriormente, transferidos para equipamentos de maior capacidade de produção. A Hielscher descreve a eficiência do processo ultrassónico como linearmente escalável após a identificação da configuração ideal dos parâmetros.
Esta capacidade de aumento de escala linear é especialmente importante para químicos e engenheiros de processo que trabalham com sistemas supramoleculares sensíveis. Os materiais auto-montados dependem frequentemente de janelas de processo restritas. 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, preservando 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 disponibiliza reatores industriais em linha, como o MultiSonoReactor, para sonicação em linha de alto rendimento. 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 aceder a diferentes estados da matéria a partir do mesmo sistema molecular. Em vez de alterarem a molécula, os investigadores alteraram as condições do processo. É precisamente aqui que a sonicação se torna atraente para a química industrial: pode melhorar os resultados através da intensificação do processo, em vez de etapas sintéticas adicionais.
No âmbito da investigação científica, estes resultados contribuem para uma compreensão mais profunda da auto-organização quiral, do aprisionamento cinético, do controlo termodinâmico e dos paisagens energéticas supramoleculares. No âmbito da indústria, os mesmos princípios podem contribuir para uma melhor triagem de polimorfos, um desenvolvimento mais rápido de materiais funcionais, um melhor controlo da morfologia dos agregados e um processamento mais reprodutível de sistemas químicos avançados.

Na prática, a sonicação pode ajudar os químicos e os engenheiros químicos a:

• acelerar as transformações de auto-montagem
• promover vias de agregação que, de outra forma, seriam inacessíveis
• melhorar a reprodutibilidade em sistemas dependentes de vias biológicas
• reduzir a dependência de tempos de equilíbrio prolongados
• analisar os estados cinéticos e termodinâmicos dos produtos
• transpor resultados promissores de laboratório para processos em linha

O processamento ultrassónico como tecnologia facilitadora

O ultrassom de potência é uma tecnologia facilitadora da química supramolecular. A aplicação controlada de energia acústica pode influenciar a organização molecular de sistemas complexos e permitir o acesso a estruturas que são difíceis de obter apenas através da agitação convencional ou do tratamento térmico.
Com o Hielscher UP50H, o estudo referido demonstra o valor da sonicação laboratorial precisa para a investigação supramolecular fundamental. Com os sonicadores de bancada e industriais de maiores dimensões da Hielscher, a mesma plataforma tecnológica pode ser alargada à otimização de processos, ao tratamento em linha e ao aumento de escala linear.
Para os químicos, isto abre novas vias experimentais no domínio da auto-montagem e do 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.

O quadro seguinte dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos ultra-sons:

Conceção, fabrico e consultoria – Qualidade fabricada na Alemanha

Os ultrassons Hielscher são conhecidos pelos seus elevados padrões de qualidade e design. A robustez e a facilidade de operação permitem a integração harmoniosa dos nossos ultrassons nas instalações industriais. As condições difíceis e os ambientes exigentes são facilmente controlados pelos ultrassons Hielscher.

A Hielscher Ultrasonics é uma empresa certificada pela ISO e dá especial ênfase aos ultrassons de alto desempenho com tecnologia de ponta e facilidade de utilização. Naturalmente, os ultrassons da Hielscher estão em conformidade com a CE e cumprem os requisitos da UL, CSA e RoHs.

Literatura / Referências