Ультразвуковая обработка открывает новые возможности в супрамолекулярной химии

Супрамолекулярная химия основана на слабых обратимых взаимодействиях: водородных связях, π–π-стакировании, силах Ван-дер-Ваальса, сольвофобных эффектах и хиральном распознавании. Эти взаимодействия позволяют молекулам самоорганизовываться в более крупные структуры, такие как волокна, стержни, гели, агрегаты и супрамолекулярные полимеры. Для химиков и инженеров-химиков задача заключается не только в том, чтобы сформировать такие структуры, но и в том, чтобы контролировать, какая именно структура образуется, как быстро она формируется и остается ли она в кинетической ловушке или достигает термодинамически наиболее стабильного состояния.

Ультразвуковые эффекты в химии: ультразвуковая обработка регулирует супрамолекулярную самоорганизацию

Научное исследование, проведенное Вехнером и др. (2020) и опубликованное в журнале «Nature Communications», демонстрирует, что ультразвуковая обработка может использоваться в качестве мощного внешнего стимула для управления путями самосборки в супрамолекулярной химии. Исследователи изучили рацемическую смесь хиральных молекул периленбисимида и показали, что ультразвуковая обработка может направлять образование различных супрамолекулярных полиморфов. В зависимости от условий ультразвуковой обработки система формировала различные самоорганизующиеся структуры, включая кинетически контролируемые конгломераты и термодинамически стабильный рацемический супрамолекулярный полимер. В ходе исследования для ультразвуковой обработки использовался ультразвуковой процессор Hielscher UP50H, работающий на частоте 30 кГц, мощностью 50 Вт и с амплитудой 100 %.
Этот результат имеет большое значение для современной химии материалов, поскольку демонстрирует, что ультразвук — это не просто средство для перемешивания или диспергирования. При соблюдении четко определенных условий ультразвуковая обработка может выступать в качестве технологического параметра, позволяющего регулировать молекулярные процессы.

Почему ультразвуковые эффекты имеют важное значение в химии

Ультразвуковые эффекты в химии в основном обусловлены акустической кавитацией. При воздействии жидкости ультразвуком высокой интенсивности циклы переменного давления приводят к образованию микроскопических кавитационных пузырьков. Их рост и коллапс создают локальные условия высокой энергии, интенсивные микротечения, сильные градиенты сдвига и обеспечивают эффективный массообмен. В химических и материаловедческих процессах эти эффекты могут влиять на зарождение, агрегацию, образование частиц, диспергирование, кристаллизацию и самоорганизацию.
В супрамолекулярной химии это особенно ценно, поскольку многие системы зависят от конкретного пути реакции. Одна и та же молекула может образовывать различные полиморфы в зависимости от порядка и интенсивности подачи энергии, температуры, концентрации, состава растворителя и времени. Ультразвуковая обработка обеспечивает контролируемый способ введения механической энергии в систему без изменения молекулярной структуры строительного блока.
Для инженеров-химиков это является решающим преимуществом: ультразвук можно настраивать с помощью различных параметров. Амплитуду, мощность, геометрию сонотрода и реактора, температуру, время пребывания, давление и расход можно регулировать, контролировать и переносить результаты из испытаний на технологическую осуществимость на более крупные объемы производства.

Ультразвуковая обработка как метод управления самоорганизацией

В ходе исследования изучалась самоорганизация рацемической смеси двух энантиомерных молекул периленбисимида. В отсутствие соответствующего внешнего стимула такие системы могут следовать предпочтительному пути агрегации или застревать в метастабильных состояниях. Применяя контролируемое ультразвуковое воздействие, исследователи смогли добиться различных супрамолекулярных результатов.
Основной вывод прост, но убедителен: ультразвуковая обработка изменила путь самоорганизации. При определённых температурах и концентрациях мощный ультразвук способствовал переходу из одного агрегатного состояния в другое. В условиях кинетической ультразвуковой обработки система образовывала супрамолекулярный конгломерат. В условиях термодинамической ультразвуковой обработки она образовывала рацемический супрамолекулярный полимер с иной морфологией и более высокой стабильностью.
Научная значимость заключается в возможности влиять на то, какая форма агрегации — гомохиральная или гетерохиральная — будет преобладать. Промышленная значимость заключается в более широкой концепции: ультразвуковая обработка может помочь управлять молекулярной организацией, а не просто ускорять технологический процесс.

Это актуально для:

• супрамолекулярные полимеры и функциональные органические материалы
• исследования в области хиральной агрегации и разделения рацематов
• кристаллизация и скрининг полиморфов
• образование нановолокон, наностержней и агрегатов красителей
• разработка рецептур и передовые технологии обработки материалов
• масштабирование химических процессов с использованием ультразвука

Роль ультразвуковых аппаратов Hielscher в супрамолекулярной химии

В ходе экспериментальных работ ультразвуковая обработка проводилась с помощью Hielscher UP50H — компактного лабораторного ультразвукового процессора. UP50H представляет собой зондовый ультразвуковой процессор мощностью 50 Вт и частотой 30 кГц, предназначенный для обработки небольших лабораторных проб и используемый в химических, биологических, медицинских и аналитических лабораториях. Компания Hielscher описывает UP50H как устройство, подходящее для ручной или настольной эксплуатации, а также для таких задач, как диспергирование, растворение, эмульгирование и гомогенизация небольших объемов проб.
В данном исследовании прибор UP50H обеспечивал ультразвуковую энергию, необходимую для инициирования и управления процессом трансформации супрамолекулярных агрегатов. Это иллюстрирует важный практический аспект для химиков: лабораторная ультразвуковая обработка небольших объемов позволяет выявить технологические окна, которые в противном случае трудно определить с помощью одного лишь перемешивания, нагрева или пассивного выдерживания.
Таким образом, в супрамолекулярной химии ультразвуковые устройства зондового типа, такие как UP50H, могут использоваться не только для подготовки образцов, но и в качестве активной экспериментальной переменной. Изменяя температуру и продолжительность ультразвуковой обработки, исследователи могут изучать кинетические и термодинамические режимы, проводить скрининг путей агрегации и выявлять метастабильные или стабильные полиморфы.
 

Спектроскопические исследования рацемической смеси (R,R)- и (S,S)-PBI. а. Химические структуры (R,R)- и (S,S)-PBI и схематическое изображение ультразвуковой супрамолекулярной полимеризации рацемической смеси (R,R)- и (S,S)-PBI с образованием конгломератов Con-Agg 1 и Con-Agg 2, а также рацемического супрамолекулярного полимера Rac-Agg 4.
Исследование и схема: ©Wehner и др., 2020

От лабораторных открытий до масштабируемой ультразвуковой обработки

Одним из основных преимуществ ультразвуковых аппаратов Hielscher является наличие ультразвукового оборудования для всех этапов технологической цепочки: от компактных лабораторных приборов до настольных систем и промышленных ультразвуковых процессоров. Компания Hielscher предлагает ультразвуковые аппараты и зонды для обработки жидкостей — от лабораторного до промышленного масштаба — для таких задач, как химическая обработка, измельчение частиц, экстракция, диспергирование и гомогенизация.
Это имеет большое значение, поскольку многие многообещающие результаты в области сонохимии или супрамолекулярной химии не выходят за пределы лаборатории, если процесс невозможно воспроизвести в более крупных масштабах. Подход компании Hielscher к разработке ультразвуковых процессов основан на контролируемых параметрах и масштабируемых конфигурациях оборудования. Как только определено эффективное рабочее окно ультразвукового процесса, его можно перенести на более крупные ультразвуковые системы, сохранив соответствующий уровень подаваемой энергии и условия обработки.
Для промышленных пользователей это означает, что ультразвуковая обработка может рассматриваться не только как научный метод, но и как технологический процесс.

Встроенная ультразвуковая обработка для непрерывных химических процессов

Периодическая ультразвуковая обработка удобна для лабораторного скрининга и оптимизации процессов с небольшими объёмами. Однако при промышленном производстве химических веществ часто требуются непрерывный режим работы, воспроизводимость результатов и чётко заданное время пребывания. Ультразвуковые системы компании Hielscher обеспечивают возможность потоковой ультразвуковой обработки, при которой жидкости прокачиваются через ультразвуковую проточную ячейку или реактор и подвергаются воздействию кавитационного поля в контролируемых условиях.
Потоковая ультразвуковая обработка может осуществляться в однопроходном режиме или в режиме рециркуляции, что позволяет жидкости проходить через зону ультразвуковой обработки один или несколько раз. Компания Hielscher заявляет, что её ультразвуковые процессоры подходят как для периодической, так и для непрерывной потоковой обработки — от лабораторных и настольных установок до оборудования полного промышленного масштаба.

В области супрамолекулярной химии и химической технологии поточная ультразвуковая обработка обладает рядом преимуществ:

• регулируемое время пребывания в зоне кавитации
• повышенная воспроизводимость по сравнению с неконтролируемым перемешиванием партии
• улучшение системы теплоотвода за счет использования проточных ячеек и внешнего охлаждения
• непрерывная обработка больших объемов
• более простая интеграция в существующие линии по производству химической продукции
• регулируемая интенсивность обработки за счет изменения расхода, амплитуды и конфигурации реактора

В химии, зависящей от химических путей, эти параметры могут иметь решающее значение. Если супрамолекулярная система по-разному реагирует на кратковременную интенсивную ультразвуковую обработку и на длительную умеренную ультразвуковую обработку, то поточная обработка обеспечивает инженерную основу для определения и воспроизведения таких условий воздействия.

Линейное масштабирование: от сонохимического скрининга до промышленного производства

Ультразвуковая технология компании Hielscher предназначена для масштабирования от лабораторных испытаний до промышленного производства. В случае крупных систем такие технологические параметры, как амплитуда, давление и температура, можно оптимизировать на небольших установках, а затем перенести на оборудование с более высокой производительностью. Компания Hielscher характеризует эффективность ультразвукового процесса как линейно масштабируемую после определения оптимальной конфигурации параметров.
Эта возможность линейного масштабирования особенно важна для химиков и инженеров-технологов, работающих с чувствительными супрамолекулярными системами. Самоорганизующиеся материалы часто требуют соблюдения узких технологических диапазонов. Изменение интенсивности перемешивания, времени пребывания, температурного профиля или плотности энергии может повлиять на морфологию продукта. Масштабируемые ультразвуковые системы помогают снизить этот риск, обеспечивая соблюдение заданных условий ультразвуковой обработки при переходе от миллилитров к литрам и, в конечном итоге, к производственным расходам.
Компания Hielscher также предлагает промышленные поточные реакторы, такие как MultiSonoReactor, предназначенные для высокопроизводительной поточной ультразвуковой обработки. Эти системы разработаны для таких задач, как гомогенизация, перемешивание, диспергирование, экстракция и сонохимические реакции.

Научная и промышленная значимость супрамолекулярных полиморфов, синтезированных с помощью ультразвука

Исследование ультразвукового управления супрамолекулярным полиморфизмом имеет важное значение, поскольку демонстрирует, как ультразвуковые эффекты в химии можно использовать для получения различных состояний вещества из одной и той же молекулярной системы. Вместо изменения самой молекулы исследователи изменили условия процесса. Именно в этом заключается привлекательность ультразвуковой обработки для промышленной химии: она позволяет улучшить результаты за счет интенсификации процесса, а не за счет дополнительных этапов синтеза.
С точки зрения научных исследований полученные результаты способствуют более глубокому пониманию хиральной самоорганизации, кинетического удержания, термодинамического контроля и супрамолекулярных энергетических ландшафтов. В промышленности эти же принципы могут способствовать более эффективному отбору полиморфов, ускорению разработки функциональных материалов, улучшению контроля над морфологией агрегатов и повышению воспроизводимости процессов переработки сложных химических систем.

На практике ультразвуковая обработка может помочь химикам и инженерам-химикам:

• ускорить процессы самоорганизации
• способствовать формированию иначе недоступных путей агрегации
• повысить воспроизводимость результатов в системах, зависящих от сигнальных путей
• сократить зависимость от длительного времени уравновешивания
• отображение кинетических и термодинамических состояний продукта
• внедрить перспективные лабораторные результаты в производственные процессы

Ультразвуковая обработка как базовая технология

Мощный ультразвук является технологией, открывающей новые возможности для супрамолекулярной химии. Контролируемое подавание акустической энергии позволяет влиять на молекулярную организацию сложных систем и получать доступ к структурам, которые трудно создать с помощью одного лишь традиционного перемешивания или термической обработки.
На примере устройства Hielscher UP50H в упомянутом исследовании продемонстрирована ценность точной лабораторной ультразвуковой обработки для фундаментальных супрамолекулярных исследований. С помощью более крупных настольных и промышленных ультразвуковых аппаратов компании Hielscher эту же технологическую платформу можно расширить для оптимизации технологических процессов, поточной обработки и линейного масштабирования.
Для химиков это открывает новые экспериментальные направления в области самоорганизации и управления полиморфизмом. Для инженеров-химиков это становится масштабируемым технологическим инструментом, позволяющим преобразовать ультразвуковые эффекты в химии в надежные производственные стратегии.

В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов:

Проектирование, производство и консалтинг – Качество «Сделано в Германии»

Ультразвуковые аппараты Hielscher хорошо известны своими высочайшими стандартами качества и дизайна. Надежность и простота в эксплуатации позволяют без проблем интегрировать наши ультразвуковые аппараты в промышленные объекты. Ультразвуковые аппараты Hielscher легко справляются с суровыми условиями и требовательными условиями окружающей среды.

Hielscher Ultrasonics является компанией, сертифицированной по стандарту ISO, и уделяет особое внимание высокопроизводительным ультразвуковым аппаратам, отличающимся самыми современными технологиями и удобством в использовании. Конечно, ультразвуковые аппараты Hielscher соответствуют требованиям CE и соответствуют требованиям UL, CSA и RoHs.

Литература / Литература