Sonicația deschide noi perspective în chimia supramoleculară

Chimia supramoleculară se bazează pe interacțiuni slabe și reversibile: legături de hidrogen, stivuire π–π, forțe van der Waals, efecte solvofobice și recunoaștere chirală. Aceste interacțiuni permit moleculelor să se auto-organizeze în structuri mai mari, precum fibre, bastonașe, geluri, agregate și polimeri supramoleculari. Pentru chimiști și ingineri chimici, provocarea nu constă doar în formarea unor astfel de structuri, ci și în controlul tipului de structură care se formează, al vitezei de formare a acesteia și al faptului dacă rămâne blocată din punct de vedere cinetic sau ajunge la starea cea mai stabilă din punct de vedere termodinamic.

Efectele ultrasunetelor în chimie: sonicația controlează autoasamblarea supramoleculară

Un studiu științific realizat de Wehner et al. (2020) și publicat în revista Nature Communications demonstrează că ultrasonicarea poate fi utilizată ca un stimul extern puternic pentru controlul căilor de autoasamblare în chimia supramoleculară. Cercetătorii au studiat un amestec racemic de molecule chirale de perilen bisimidă și au demonstrat că sonicația poate ghida formarea unor polimorfi supramoleculari distincți. În funcție de condițiile de ultrasunete, sistemul a produs diferite structuri autoasamblate, inclusiv conglomerate controlate cinetic și un polimer supramolecular racemic stabil din punct de vedere termodinamic. Studiul a utilizat în mod explicit un procesor ultrasonic Hielscher UP50H pentru ultrasonicare, funcționând la 30 kHz, 50 W și o amplitudine de 100%.
Acest rezultat este extrem de relevant pentru chimia modernă a materialelor, deoarece demonstrează că ultrasunetele nu sunt doar un instrument de amestecare sau de dispersie. În condiții bine definite, sonicația poate acționa ca parametru de proces pentru controlul căilor moleculare.

De ce efectele ultrasonice sunt importante în chimie

Efectele ultrasunetelor în chimie sunt cauzate în principal de cavitația acustică. Atunci când ultrasunetele de intensitate ridicată sunt introduse într-un lichid, ciclurile alternante de presiune generează bule microscopice de cavitație. Creșterea și colapsul acestora produc condiții localizate de energie ridicată, microcurenți intensi, gradienți puternici de forfecare și un transfer eficient de masă. În procesele chimice și de prelucrare a materialelor, aceste efecte pot influența nuclearea, agregarea, formarea particulelor, dispersia, cristalizarea și autoasamblarea.
În chimia supramoleculară, acest lucru este deosebit de valoros, deoarece multe sisteme depind de calea de reacție. Aceeași moleculă se poate asambla în diferite polimorfe, în funcție de ordinea și intensitatea aportului de energie, de temperatură, de concentrație, de compoziția solventului și de timp. Sonicația oferă o metodă controlabilă de a introduce energie mecanică în sistem fără a modifica structura moleculară a elementului constitutiv.
Pentru inginerii chimici, acesta reprezintă un avantaj decisiv: ultrasunetele pot fi parametrizate. Amplitudinea, puterea, geometria sonotrodului și a reactorului, temperatura, timpul de staționare, presiunea și debitul pot fi reglate, monitorizate și transferate de la testele de fezabilitate la volume de procesare mai mari.

Sonicația ca instrument de control al autoasamblării

Studiul a analizat autoasamblarea unui amestec racemic format din două molecule enantiomere de perilen bisimidă. În absența unui stimul extern adecvat, astfel de sisteme pot urma o cale preferențială de agregare sau pot rămâne blocate în stări metastabile. Prin aplicarea unei ultrasonicări controlate, cercetătorii au reușit să obțină diferite rezultate supramoleculare.
Constatarea principală este simplă, dar semnificativă: sonicația a modificat calea de autoasamblare. La anumite temperaturi și concentrații, ultrasunetele de putere au favorizat transformarea dintr-o stare agregată în alta. În condiții de sonicare cinetică, sistemul a format un conglomerat supramolecular. În condiții de sonicare termodinamică, acesta a format un polimer supramolecular racemic cu o morfologie diferită și o stabilitate mai mare.
Impactul științific constă în capacitatea de a influența dacă agregarea homochirală sau cea heterochirală este predominantă. Impactul industrial se bazează pe un concept mai amplu: sonicația poate contribui la orientarea organizării moleculare, nu doar la accelerarea procesării.

Acest lucru este relevant pentru:

• polimeri supramoleculari și materiale organice funcționale
• cercetări privind agregarea chirală și separarea racematului
• cristalizare și screeningul polimorfilor
• formarea nanofibrelor, nanobastonașelor și a agregatelor de coloranți
• dezvoltarea formulelor și prelucrarea avansată a materialelor
• extinderea proceselor chimice asistate de ultrasunete

Rolul sonicatoarelor Hielscher în chimia supramoleculară

Pentru lucrările experimentale, tratamentul cu ultrasunete a fost realizat cu ajutorul aparatului Hielscher UP50H, un procesor ultrasonic compact de laborator. UP50H este un sonicator de tip sondă, cu o putere de 50 W și o frecvență de 30 kHz, conceput pentru probe de laborator de dimensiuni reduse și utilizat în laboratoarele chimice, biologice, medicale și analitice. Hielscher descrie modelul UP50H ca fiind potrivit pentru utilizarea manuală sau pe suport, precum și pentru operațiuni precum dispersarea, dizolvarea, emulsificarea și omogenizarea unor volume mici de probă.
În cadrul acestui studiu, aparatul UP50H a furnizat energia ultrasonică necesară pentru a declanșa și ghida transformarea agregatelor supramoleculare. Acest lucru ilustrează un aspect practic important pentru chimiști: sonicația de laborator la volum redus poate dezvălui intervale de proces care, în alte condiții, ar fi dificil de identificat doar prin agitare, încălzire sau maturare pasivă.
În chimia supramoleculară, sonicatoarele de tip sondă, precum modelul UP50H, pot fi utilizate nu numai pentru pregătirea probelor, ci și ca variabilă experimentală activă. Prin modificarea temperaturii și a duratei sonicării, cercetătorii pot studia regimurile cinetice și termodinamice, pot analiza căile de agregare și pot identifica polimorfi metastabili sau stabili.
 

Studii spectroscopice ale amestecului racemic de (R,R)- și (S,S)-PBI. a Structurile chimice ale (R,R)- și (S,S)-PBI și reprezentarea schematică a polimerizării supramoleculare induse de ultrasunete a amestecului racemic de (R,R)- și (S,S)-PBI în conglomeratele Con-Agg 1 și Con-Agg 2 și în polimerul supramolecular racemic Rac-Agg 4.
Studiu și schemă: ©Wehner et al., 2020

De la descoperirea în laborator la procesarea cu ultrasunete la scară largă

Un avantaj major al sonicatoarelor Hielscher îl reprezintă disponibilitatea echipamentelor cu ultrasunete pe întregul lanț de dezvoltare: de la dispozitive compacte de laborator la sisteme de banc și procesoare industriale cu ultrasunete. Hielscher oferă sonificatoare și sonde pentru prelucrarea lichidelor, de la scara de laborator până la scara de producție, cu aplicații care includ prelucrarea chimică, reducerea dimensiunii particulelor, extracția, dispersarea și omogenizarea.
Acest aspect este important deoarece multe descoperiri promițătoare din domeniul sonochimiei sau al supramolecularului nu reușesc să depășească stadiul de laborator atunci când procesul nu poate fi reprodus la scară mai mare. Abordarea companiei Hielscher privind dezvoltarea proceselor cu ultrasunete se bazează pe parametri controlabili și configurații scalabile ale echipamentelor. Odată identificată o fereastră de proces eficientă cu ultrasunete, procesul poate fi transferat către sisteme cu ultrasunete mai mari, menținând aportul de energie și condițiile de procesare relevante.
Pentru utilizatorii din domeniul industrial, acest lucru înseamnă că sonicația poate fi considerată nu doar o metodă de cercetare, ci și o tehnologie de proces.

Sonicația în linie pentru procesarea chimică continuă

Sonicarea în lot este utilă pentru testarea de laborator și optimizarea volumelor mici. Cu toate acestea, producția chimică necesită adesea funcționare continuă, reproductibilitate și timpi de staționare definiți. Sistemele ultrasonice Hielscher permit sonicarea în linie, în cadrul căreia lichidele sunt pompate printr-o celulă de curgere ultrasonică sau un reactor și expuse la câmpul de cavitație în condiții controlate.
Sonicarea în linie poate fi realizată în modul cu o singură trecere sau în modul de recirculare, permițând lichidului să treacă o singură dată sau de mai multe ori prin zona de tratare cu ultrasunete. Hielscher precizează că procesoarele sale cu ultrasunete sunt disponibile atât pentru procesarea în serie, cât și pentru cea continuă în linie, de la unități de laborator și de banc de lucru până la scară industrială completă.

În domeniul chimiei supramoleculare și al ingineriei chimice, sonicația în linie oferă mai multe avantaje:

• timpul de staționare controlat în zona de cavitație
• o reproductibilitate îmbunătățită în comparație cu agitația necontrolată a lotului
• o gestionare mai eficientă a căldurii prin intermediul celulelor de flux și al sistemului de răcire extern
• prelucrare continuă pentru volume mai mari
• o integrare mai ușoară în liniile de producție chimică existente
• intensitate scalabilă a tratamentului prin reglarea debitului, a amplitudinii și a configurației reactorului

În chimia dependentă de calea de reacție, acești parametri pot fi esențiali. Dacă un sistem supramolecular reacționează diferit la o sonicare scurtă și intensă față de o sonicare prelungită și ușoară, procesarea în linie oferă cadrul tehnic necesar pentru a defini și reproduce acea expunere.

Scalare liniară: de la screeningul sonochimic la producție

Tehnologia cu ultrasunete Hielscher este concepută pentru extinderea la scară mai mare, de la testele de laborator la procesarea industrială. În cazul sistemelor de mari dimensiuni, parametrii de proces, precum amplitudinea, presiunea și temperatura, pot fi optimizați în configurații mai mici și apoi transferați către echipamente cu capacitate de producție mai mare. Hielscher descrie eficiența procesului cu ultrasunete ca fiind scalabilă liniar după identificarea configurației optime a parametrilor.
Această capacitate de scalare liniară este deosebit de importantă pentru chimiști și ingineri de proces care lucrează cu sisteme supramoleculare sensibile. Materialele autoasamblate depind adesea de intervale de proces foarte înguste. O modificare a intensității de amestecare, a timpului de staționare, a profilului de temperatură sau a densității energetice poate altera morfologia produsului. Sistemele ultrasonice scalabile contribuie la reducerea acestui risc prin menținerea condițiilor definite de sonicare pe măsură ce procesul trece de la mililitri la litri și, în cele din urmă, la debite la scară de producție.
Hielscher oferă, de asemenea, reactoare industriale în linie, precum MultiSonoReactor, destinate sonicației în linie cu randament ridicat. Aceste sisteme sunt concepute pentru aplicații precum omogenizarea, amestecarea, dispersarea, extracția și reacțiile sonochimice.

Relevanța științifică și industrială a polimorfilor supramoleculari sintetizați prin ultrasunete

Studiul privind polimorfismul supramolecular controlat prin ultrasunete este semnificativ deoarece demonstrează modul în care efectele ultrasunetelor în chimie pot fi utilizate pentru a obține diferite stări ale materialului pornind de la același sistem molecular. În loc să modifice molecula, cercetătorii au modificat condițiile de proces. Tocmai acest aspect face ca sonicarea să devină o opțiune atractivă pentru chimia industrială: ea poate îmbunătăți rezultatele prin intensificarea procesului, mai degrabă decât prin etape de sinteză suplimentare.
În ceea ce privește cercetarea științifică, rezultatele obținute contribuie la o înțelegere mai aprofundată a autoasamblării chirale, a captării cinetice, a controlului termodinamic și a peisajelor energetice supramoleculare. În domeniul industrial, aceleași principii pot sprijini o selecție îmbunătățită a polimorfilor, o dezvoltare mai rapidă a materialelor funcționale, un control mai bun asupra morfologiei agregatelor și o prelucrare mai reproductibilă a sistemelor chimice avansate.

Din punct de vedere practic, sonicația poate fi de ajutor pentru chimiști și ingineri chimici:

• accelerarea transformărilor prin autoasamblare
• să favorizeze căile de agregare care altfel ar fi inaccesibile
• îmbunătățirea reproductibilității în sistemele dependente de căi metabolice
• să reducă dependența de perioadele lungi de echilibrare
• afișarea stărilor cinetice și termodinamice ale produsului
• transpunerea rezultatelor promițătoare obținute în laborator în procese de producție

Prelucrarea cu ultrasunete ca tehnologie facilitatoare

Ultrasunetele de putere reprezintă o tehnologie facilitatoare pentru chimia supramoleculară. Aportul controlat de energie acustică poate influența organizarea moleculară a sistemelor complexe și poate permite obținerea unor structuri greu de realizat doar prin agitare convențională sau tratament termic.
Cu ajutorul aparatului Hielscher UP50H, studiul menționat demonstrează importanța sonicației precise de laborator pentru cercetarea fundamentală în domeniul supramolecular. Cu ajutorul sonicatoarelor de laborator și industriale de dimensiuni mai mari de la Hielscher, aceeași platformă tehnologică poate fi extinsă către optimizarea proceselor, tratarea în linie și scalarea liniară.
Pentru chimiști, acest lucru deschide noi căi experimentale în domeniul autoasamblării și al controlului polimorfismului. Pentru inginerii chimici, acesta oferă un instrument de proces scalabil pentru transformarea efectelor ultrasonice din chimie în strategii de producție fiabile.

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicators noastre:

Proiectare, fabricație și consultanță – Calitate Made in Germany

Hielscher ultrasonicators sunt bine-cunoscute pentru cele mai înalte standarde de calitate și design. Robustețea și funcționarea ușoară permit integrarea fără probleme a ultrasonicators noastre în instalații industriale. Condiții dure și medii solicitante sunt ușor de manipulat de ultrasonicators Hielscher.

Hielscher Ultrasonics este o companie certificată ISO și pune un accent deosebit pe ultrasonicators de înaltă performanță cu tehnologie de ultimă oră și ușurință în utilizare. Desigur, ultrasonicators Hielscher sunt conforme CE și îndeplinesc cerințele UL, CSA și RoHs.

Literatură / Referințe