Супрамолекулярные структуры, собранные с помощью соникации
Ультразвук - мощный и универсальный инструмент в супрамолекулярной химии, позволяющий точно контролировать процессы нековалентной сборки, которые часто чувствительны к кинетическим и термодинамическим параметрам. Применение мощного ультразвука в жидкой среде влияет на молекулярные взаимодействия, ускоряя самосборку, усиливая перемешивание и способствуя структурной реорганизации на наноуровне.
Как соника влияет на супрамолекулярную сборку
В супрамолекулярных системах, где слабые взаимодействия, такие как водородная связь, π-π стэкинг, координация металлов и силы Ван-дер-Ваальса, определяют формирование структуры, ультразвук может избирательно влиять на пути сборки. Он обеспечивает гомогенное зарождение, помогает диспергировать строительные блоки и облегчает формирование метастабильных или кинетически запертых архитектур, которые часто недоступны в обычных условиях. Более того, соникация может регулировать равновесие между собранным и разобранным состояниями, предлагая динамический способ управления обратимыми супрамолекулярными системами.
Помимо физических эффектов, сонохимия обеспечивает экологически безопасный и энергоэффективный подход. – часто выполняются в условиях, не содержащих растворителей, или в мягких условиях – что делает ее привлекательной для синтеза супрамолекулярных гелей, нановолокон, комплексов "хозяин-гость" и гибридных наноструктур. В результате соникация становится не только методом пробоподготовки, но и центральным механохимическим фактором в рациональном дизайне и обработке супрамолекулярных материалов.
Ультразвуковой аппарат UP400ST для эффективного синтеза супрамолекулярных структур
Синтез супрамолекул под воздействием ультразвука
Ультразвук может стимулировать образование, стабилизацию или трансформацию широкого спектра супрамолекулярных систем за счет акустической кавитации, переходных градиентов сдвига и микроструйных ударов. Следующие категории иллюстрируют типичные структуры, полученные или подвергшиеся влиянию ультразвуковой самосборки:
- Супрамолекулярные комплексы "хозяин-гость
Циклодекстриновые комплексы включения
Системы "хозяин-гость" на основе кукурбитурила
Каликсарены и столбчатые[5]ареновые сборки
Механически сцепленные молекулы (ротаксаны, катенаны) - Супрамолекулярный оксид графена и двумерные гибриды
- π-π уложенные комплексы оксид графена-хромофор
- Супрамолекулярные гибриды оксида графена и полимеров
- Нековалентная функционализация порфиринами, фуллеренами или пептидами
- Супрамолекулярные нановолокна и нанотрубки
- Пептидные амфифильные нановолокна
- π-сопряженные нановолокна (например, производные бисимида перилена, порфирина или циана)
- Нанотрубки с водородными связями или π-π-стекированные нанотрубки
- Супрамолекулярные гели (соногели)
- Органогели и гидрогели, запускаемые или стабилизируемые ультразвуком
- Золь-гель переходы, индуцированные локализованным нагревом и сдвигом
- Обратимые супрамолекулярные сети (Н-связанные, металл-лиганд или ионные)
- Супрамолекулярные агрегаты и конгломераты
- Мицеллы и везикулы, образованные из амфифильных молекул
- Коацерваты и коллоидные агрегаты
- Хиральные конгломераты и полиморфные агрегаты под влиянием энергии ультразвука
- Супрамолекулярные наноспонжи и пористые каркасы
- Наноспонжи на основе циклодекстрина
- Сонохимически генерируемые металлоорганические каркасы (МОФы) и ковалентные органические каркасы (КОФы)
- Пористые супрамолекулярные сети, используемые для катализа или загрузки лекарств
- Другие супрамолекулярные архитектуры, реагирующие на ультразвук
- Супрамолекулярные капсулы и нанокапсиды
- Самособирающиеся монослои (SAM) и мультислои
- Супрамолекулярные структуры на основе ДНК
- Координационные полимеры и металлогели
(Исследование и фильм: Рутгертс и др., 2019)
Ультразвуковые технологии в супрамолекулярной сборке
Ультразвук влияет на супрамолекулярную самосборку через механические, тепловые и кавитационные эффекты.
Эти ключевые процессы включают в себя:
- Эмульгирование и образование наноэмульсий
- Облегчает супрамолекулярное инкапсулирование в системах масло/вода
- Способствует однородному смешиванию несмешивающихся фаз
- Уменьшение размера частиц и деагрегация
- Расщепляет крупные супрамолекулярные агрегаты или кристаллы
- Контролирует морфологию и полидисперсность
- Дисперсия и гомогенизация
- Улучшает дисперсию наночастиц или супрамолекулярных строительных блоков в растворителях
- Улучшает однородность при формировании геля или гибридного материала
- Усиление инкапсуляции и комплексообразования
- Ускоряет включение гостей в циклодекстрины или мицеллярные системы
- Способствует формированию нанокапсул для доставки лекарств или катализа
- Сращивание волокон / уменьшение длины
- Укорачивание пептидных или полимерных нановолокон с помощью кавитационного сдвига
- Контролируемая фрагментация супрамолекулярных нитей и нанотрубок
- Кристаллизация и контроль полиморфов
- Нуклеация с помощью ультразвука для контролируемого роста кристаллов
- Получение метастабильных или кинетически благоприятных супрамолекулярных полиморфов
- Сшивание и формирование сетей
- Вызывает реорганизацию связей в водородно-связанных или металл-лигандных сетях
- Инициирует образование супрамолекулярных металлоорганических каркасов (МОФ)
- Способствует образованию супрамолекулярных гидрогелей и соногелей
- Сонохимическая активация и функционализация
- Инициирует реакции супрамолекулярной модификации
- Обеспечивает нековалентное прикрепление функциональных соединений к несущим лесам
- Деградация и обратимая разборка
- Ультразвуковая энергия используется для обратимой разборки супрамолекулярных конструкций
- Контролируемое высвобождение инкапсулированных веществ при ультразвуковой стимуляции
Получите лучший звуковой аппарат для супрамолекул
Ультразвуковые приборы Hielscher - это высокопроизводительные ультразвуковые системы зондового типа, специально разработанные для точной доставки энергии в жидкофазных процессах, что делает их исключительно подходящими для сонохимической и супрамолекулярной сборки сложных архитектур. Точный контроль амплитуды, времени, режима импульсов и температуры позволяет воспроизводить динамику кавитации, способствуя эффективному перемешиванию, улучшению массопереноса и активации нековалентных взаимодействий, необходимых для супрамолекулярной организации. В сонохимии такая контролируемая акустическая кавитация может ускорить самосборку, облегчить комплексообразование хозяин-гость, повлиять на морфологию и стабильность супрамолекулярных агрегатов. Надежность, масштабируемость и цифровой мониторинг процесса устройств Hielscher позволяют тонко настраивать условия реакции от небольших лабораторных экспериментов до промышленного синтеза, соединяя фундаментальные супрамолекулярные исследования с прикладным производством материалов.
В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов:
| Объем партии | Расход | Рекомендуемые устройства |
|---|---|---|
| 0от 0,5 до 1,5 мл | н.а. | VialTweeter |
| от 1 до 500 мл | От 10 до 200 мл/мин | УП100Ч |
| от 10 до 2000 мл | от 20 до 400 мл/мин | УП200Хт, УП400Ст |
| 0.1 до 20 л | 0от 0,2 до 4 л/мин | УИП2000HDT |
| От 10 до 100 л | От 2 до 10 л/мин | УИП4000HDT |
| От 15 до 150 л | От 3 до 15 л/мин | УИП6000HDT |
| н.а. | От 10 до 100 л/мин | УИП16000HDT |
| н.а. | больше | Кластер УИП16000HDT |
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.
Ультразвуковое эмульгирование способствует сборке супрамолекулярных структур
Литература / Литература
- Di Giosia, Matteo; Bomans, Paul; Bottoni, Andrea; Cantelli, Andrea; Falini, Giuseppe; Franchi, Paola; Guarracino, Giuseppe; Friedrich, Heiner; Lucarini, Marco; Paolucci, Francesco; Rapino, Stefania; Sommerdijk, Nico; Soldà, Alice; valle, Francesco ; Zerbetto, Francesco; Calvaresi, Matteo (2018): Proteins as Supramolecular Hosts for C60: A True Solution of C60 in Water. Nanoscale 10(21); 2018.
- Fatemeh Shahangi Shirazi, Kamran Akhbari (2016): Sonochemical procedures; the main synthetic method for synthesis of coinage metal ion supramolecular polymer nano structures. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 31, 2016. 51-61.
- 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.
Часто задаваемые вопросы
Что такое супрамолекула / супермолекула?
Супрамолекула, или супермолекула, - это дискретная химическая сборка двух или более молекул, удерживаемых вместе нековалентными взаимодействиями, такими как водородная связь, π-π стэкинг, координация металлов или силы Ван-дер-Ваальса. В отличие от молекул с ковалентной связью, эти структуры возникают в результате обратимых и часто высокоизбирательных процессов самосборки, что приводит к появлению сложных архитектур с эмерджентными свойствами.
Каковы основные методы супрамолекулярной химии?
Основные методы супрамолекулярной химии вращаются вокруг молекулярного распознавания и самоорганизации. Химия "хозяин-гость", шаблонный синтез, координационная химия и самосборка под действием слабых межмолекулярных сил составляют концептуальную и экспериментальную основу. Аналитические инструменты, такие как спектроскопия ЯМР, изотермическая титрационная калориметрия и рентгеновская кристаллография, являются центральными для изучения этих взаимодействий количественно и структурно.
Что такое супрамолекулярное устройство?
Супрамолекулярное устройство - это функциональная система, в которой молекулярные компоненты организованы посредством нековалентных взаимодействий для выполнения определенных задач, таких как передача сигнала, молекулярное переключение, катализ или преобразование энергии. Эти устройства часто имитируют биологические функции, используя контролируемое движение молекул и обратимость в наномасштабе.
Являются ли МОФ супрамолекулярными структурами?
Металлоорганические каркасы (МОФ) действительно можно рассматривать как супрамолекулярные структуры, поскольку их протяженные кристаллические сети построены на основе координационных связей между ионами или кластерами металлов и органическими линкерами. Хотя эти связи имеют частичный ковалентный характер, модульная, самособирающаяся природа МОФ и их зависимость от направленных, обратимых взаимодействий концептуально относят их к более широкой области супрамолекулярной химии.
Hielscher Ultrasonics производит высокопроизводительные ультразвуковые гомогенизаторы от лаборатория Кому промышленного размера.