Nadmolekulárne štruktúry zostavené pomocou sonikácie
Sonikácia je výkonný a všestranný nástroj v supramolekulárnej chémii, ktorý umožňuje presnú kontrolu nekovalentných montážnych procesov, ktoré sú často citlivé na kinetické a termodynamické parametre. Aplikácia silného ultrazvuku na kvapalné prostredie ovplyvňuje molekulové interakcie, urýchľuje samousporiadanie, zvyšuje miešanie a podporuje štrukturálnu reorganizáciu v nanorozmeroch.
Ako sonikácia ovplyvňuje supramolekulárne zostavy
V supramolekulárnych systémoch, kde slabé interakcie ako vodíková väzba, π-π stacking, koordinácia kovov a van der Waalsove sily riadia tvorbu štruktúry, môže ultrazvuk selektívne ovplyvňovať spôsoby montáže. Umožňuje homogénnu nukleáciu, napomáha disperzii stavebných blokov a uľahčuje tvorbu metastabilných alebo kineticky zachytených štruktúr, ktoré sú za bežných podmienok často nedostupné. Okrem toho sonikácia môže modulovať rovnováhu medzi zostavenými a rozloženými stavmi, čím ponúka dynamický prostriedok na riadenie reverzibilných supramolekulárnych systémov.
Okrem fyzikálnych účinkov poskytuje sonochémia ekologický a energeticky úsporný prístup – často sa vykonáva za podmienok bez rozpúšťadiel alebo za miernych podmienok – čo ho robí atraktívnym pre syntézu supramolekulárnych gélov, nanovlákien, komplexov hostiteľ - hosť a hybridných nanoštruktúr. V dôsledku toho je sonikácia nielen technikou prípravy vzoriek, ale aj ústrednou mechanochemickou hnacou silou pri racionálnom navrhovaní a spracovaní supramolekulárnych materiálov.
Sonikátor UP400St na účinnú syntézu supramolekulárnych štruktúr
Ultrazvukom podporovaná syntéza supramolekúl
Sonikácia môže viesť k tvorbe, stabilizácii alebo transformácii širokého spektra supramolekulárnych systémov prostredníctvom akustickej kavitácie, prechodných smykových gradientov a mikrotryskových nárazov. Nasledujúce kategórie ilustrujú typické štruktúry získané alebo ovplyvnené ultrazvukom asistovanou samoskladbou:
- Supramolekulárne komplexy hostiteľa a hosťa
Inklúzne komplexy cyklodextrínu
Systémy hostiteľ - hosť na báze cucurbiturilu
Kalixarénové a pilierové[5]arénové zostavy
Mechanicky prepojené molekuly (rotaxány, katenány) - Supramolekulárny oxid grafénový a 2D hybridy
- π-π stohované komplexy oxidu grafénu a chromaforu
- Supramolekulárne hybridy oxidu grafénu a polymérov
- Nekovalentná funkcionalizácia pomocou porfyrínov, fullerénov alebo peptidov
- Supramolekulárne nanovlákna a nanorúrky
- Peptidové amfifilné nanovlákna
- π-konjugované nanovlákna (napr. perylénbisimid, deriváty porfyrínu alebo kyanínu)
- Vodíkové alebo π-π stohované nanorúrky
- Supramolekulárne gély (sonogély)
- Organogély a hydrogély aktivované alebo stabilizované ultrazvukom
- Sol-gélové prechody vyvolané lokalizovaným ohrevom a strihom
- Reverzibilné supramolekulárne siete (s H-väzbou, kovovo-ligandové alebo iónové)
- Nadmolekulárne agregáty a konglomeráty
- Micely a vezikuly vytvorené z amfifilných molekúl
- Koacerváty a koloidné zostavy
- Chirálne konglomeráty a polymorfné zostavy ovplyvnené príkonom ultrazvuku
- Supramolekulárne nanosúčiastky a porézne rámce
- Nanospony na báze cyklodextrínu
- Sonochemicky generované kovovo-organické rámce (MOF) a kovalentné organické rámce (COF)
- Porézne supramolekulárne siete používané na katalýzu alebo nakladanie liečiv
- Ďalšie supramolekulárne štruktúry reagujúce na ultrazvuk
- Supramolekulárne kapsuly a nanokapsuly
- Samousporiadané monovrstvy (SAM) a multivrstvy
- Supramolekulárne štruktúry na báze DNA
- Koordinačné polyméry a metalogély
(Štúdia a film: Rutgeerts et al., 2019)
Ultrazvukové aplikácie v supramolekulárnej montáži
Ultrazvuk ovplyvňuje supramolekulárne samoskladanie prostredníctvom mechanických, tepelných a kavitačných účinkov.
Medzi tieto kľúčové procesy patria:
- Emulgovanie a tvorba nanoemulzie
- Uľahčuje supramolekulárne zapuzdrenie v systémoch olej/voda
- Podporuje homogénne miešanie nemiešateľných fáz
- Zmenšovanie veľkosti častíc a deagregácia
- Rozbíja väčšie supramolekulárne agregáty alebo kryštály
- Kontroluje morfológiu a polydisperzitu
- Disperzia a homogenizácia
- Zlepšuje disperziu nanočastíc alebo supramolekulárnych stavebných blokov v rozpúšťadlách
- Zlepšuje rovnomernosť tvorby gélu alebo hybridného materiálu
- Zlepšenie zapuzdrenia a komplexácie
- Urýchľuje začlenenie hostí do cyklodextrínov alebo micelárnych systémov
- Podporuje tvorbu nanokapsúl na podávanie liečiv alebo katalýzu
- Spájanie vlákien / skrátenie dĺžky
- Skracovanie peptidových alebo polymérnych nanovlákien kavitačným strihom
- Riadená fragmentácia supramolekulárnych vlákien a nanorúrok
- Kryštalizácia a kontrola polymorfov
- Ultrazvukom asistovaná nukleácia pre riadený rast kryštálov
- Generovanie metastabilných alebo kineticky zvýhodnených supramolekulárnych polymorfov
- Sieťovanie a tvorba sietí
- Vyvoláva reorganizáciu väzieb v sieťach s vodíkovou väzbou alebo kovom a ligandom
- Iniciuje tvorbu supramolekulárnych kovovo-organických štruktúr (MOF)
- Podporuje tvorbu supramolekulárnych hydrogélov a sonogélov
- Sonochemická aktivácia a funkcionalizácia
- Iniciuje reakcie na supramolekulárnu modifikáciu
- Umožňuje nekovalentné pripojenie funkčných častí na hostiteľské skelety
- Degradácia a vratná demontáž
- Ultrazvuková energia použitá na reverzibilné rozkladanie supramolekulárnych konštrukcií
- Riadené uvoľňovanie zapuzdrených druhov pri ultrazvukovej stimulácii
Získajte najlepší sonikátor pre supramolekuly
Sonikátory Hielscher sú vysoko výkonné ultrazvukové systémy typu sondy, ktoré sú špeciálne navrhnuté na presné dodávanie energie v procesoch v kvapalnej fáze, vďaka čomu sú výnimočne vhodné na sonochemickú a supramolekulárnu montáž komplexných štruktúr. Ich presné riadenie amplitúdy, času, režimu impulzov a teploty umožňuje reprodukovateľnú dynamiku kavitácie, ktorá podporuje účinné miešanie, zlepšený prenos hmoty a aktiváciu nekovalentných interakcií nevyhnutných pre supramolekulárnu organizáciu. V sonochémii môže takáto riadená akustická kavitácia urýchliť samousporiadanie, uľahčiť komplexáciu hostiteľ - hosť a ovplyvniť morfológiu alebo stabilitu supramolekulárnych agregátov. Robustnosť, škálovateľnosť a digitálne monitorovanie procesov Hielscherových zariadení ďalej umožňuje jemné doladenie reakčných podmienok od malých laboratórnych experimentov až po priemyselnú syntézu - prepojenie základného supramolekulového výskumu s aplikovanou výrobou materiálov.
Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov:
| Objem dávky | Prietok | Odporúčané zariadenia |
|---|---|---|
| 05 až 1,5 ml | N.A. | VialTweeter |
| 1 až 500 ml | 10 až 200 ml/min | UP100H |
| 10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 až 20 l | 00,2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 až 150 l | 3 až 15 l/min | UIP6000hdT |
| N.A. | 10 až 100 l/min | UIP16000hdT |
| N.A. | väčší | Zhluk UIP16000hdT |
Dizajn, výroba a poradenstvo – Kvalita vyrobená v Nemecku
Ultrazvukové prístroje Hielscher sú známe svojou najvyššou kvalitou a dizajnovými štandardmi. Robustnosť a jednoduchá obsluha umožňujú bezproblémovú integráciu našich ultrazvukových prístrojov do priemyselných zariadení. Drsné podmienky a náročné prostredie ľahko zvládnu ultrazvukové prístroje Hielscher.
Hielscher Ultrasonics je spoločnosť s certifikáciou ISO a kladie osobitný dôraz na vysokovýkonné ultrazvukové prístroje s najmodernejšou technológiou a užívateľskou prívetivosťou. Ultrazvukové prístroje Hielscher sú samozrejme v súlade s CE a spĺňajú požiadavky UL, CSA a RoHs.
Ultrazvuková emulgácia podporuje zostavovanie supramolekulárnych štruktúr
Literatúra / Referencie
- 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.
často kladené otázky
Čo je to supramolekula/supermolekula?
Supramolekula alebo supermolekula je diskrétna chemická zostava dvoch alebo viacerých molekulárnych jednotiek, ktoré držia pohromade nekovalentné interakcie, ako sú vodíková väzba, π-π stohovanie, koordinácia kovov alebo van der Waalsove sily. Na rozdiel od kovalentne viazaných molekúl vznikajú tieto štruktúry prostredníctvom reverzibilných a často vysoko selektívnych procesov samoskladby, čím vznikajú komplexné štruktúry s emergentnými vlastnosťami.
Aké sú základné metódy v supramolekulárnej chémii?
Základné metódy v supramolekulárnej chémii sa točia okolo molekulového rozpoznávania a samoorganizácie. Koncepčný a experimentálny základ tvoria chémia hostiteľa a hosťa, šablónová syntéza, koordinačná chémia a samoskladba riadená slabými medzimolekulovými silami. Analytické nástroje ako NMR spektroskopia, izotermická titračná kalorimetria a röntgenová kryštalografia sú kľúčové pre kvantitatívne a štruktúrne štúdium týchto interakcií.
Čo je supramolekulárne zariadenie?
Supramolekulárne zariadenie je funkčný systém, v ktorom sú molekulárne zložky organizované prostredníctvom nekovalentných interakcií na vykonávanie špecifických úloh, ako je prenos signálu, molekulárne prepínanie, katalýza alebo premena energie. Tieto zariadenia často napodobňujú biologické funkcie, pričom využívajú riadený molekulárny pohyb a reverzibilitu v nanorozmeroch.
Sú MOFy supramolekulárne štruktúry?
Kovovo-organické rámce (MOF) možno skutočne považovať za supramolekulárne štruktúry, pretože ich rozšírené kryštalické siete sú vybudované prostredníctvom koordinačných väzieb medzi iónmi kovov alebo klastrami a organickými spojovacími prostriedkami. Hoci tieto väzby majú čiastočne kovalentný charakter, modulárna, samoskladateľná povaha MOF a ich závislosť od smerových, reverzibilných interakcií ich koncepčne zaraďuje do širšej oblasti supramolekulárnej chémie.
Spoločnosť Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratórium do priemyselná veľkosť.