Ultrazvok odpira nove poti v supramolekularni kemiji

Supramolekularna kemija temelji na šibkih, reverzibilnih interakcijah: vodikovi vezi, π–π-stacking, van der Waalsovih silah, solvofobnih učinkih in kiralnem prepoznavanju. Te interakcije omogočajo molekulam, da se samoorganizirajo v večje strukture, kot so vlakna, palice, geli, agregati in supramolekularni polimeri. Za kemike in kemijske inženirje izziv ni le v oblikovanju takšnih struktur, temveč tudi v nadzoru nad tem, katera struktura se oblikuje, kako hitro se oblikuje in ali ostane kinetično ujet v tem stanju ali doseže termodinamsko najbolj stabilno stanje.

Ultrazvočni učinki v kemiji: ultrazvok uravnava supramolekularno samoorganizacijo

Znanstvena študija avtorjev Wehner in sod. (2020), objavljena v reviji *Nature Communications*, dokazuje, da se ultrazvok lahko uporabi kot močan zunanji dražljaj za nadzor poti samosestavljanja v supramolekularni kemiji. Raziskovalci so preučevali racemično mešanico kiralnih molekul perilen bisimida in pokazali, da lahko ultrazvok usmerja nastajanje različnih supramolekularnih polimorfov. Glede na ultrazvočne pogoje je sistem ustvaril različne samoorganizirane strukture, vključno s kinetično nadzorovanimi konglomerati in termodinamsko stabilnim racemičnim supramolekularnim polimerom. V študiji je bil za ultrazvok izrecno uporabljen ultrazvočni procesor Hielscher UP50H, ki je deloval pri 30 kHz, 50 W in 100-odstotni amplitudi.
Ta rezultat je zelo pomemben za sodobno kemijo materialov, saj kaže, da ultrazvok ni zgolj orodje za mešanje ali dispergiranje. V natančno določenih pogojih lahko sonikacija deluje kot procesni parameter za nadzor molekularnih poti.

Zakaj so ultrazvočni učinki pomembni v kemiji

Ultrazvočni učinki v kemiji so v glavnem posledica akustične kavitacije. Ko se v tekočino vpelje ultrazvok visoke intenzivnosti, izmenični cikli tlaka ustvarjajo mikroskopske kavitacijske mehurčke. Njihova rast in kolaps povzročata lokalizirane visokoenergetske razmere, intenzivno mikrotokovanje, močne strižne gradiente in učinkovit prenos mase. V kemijskih in materialnih procesih lahko ti učinki vplivajo na nukleacijo, agregacijo, nastajanje delcev, disperzijo, kristalizacijo in samoorganizacijo.
V supramolekularni kemiji je to še posebej pomembno, saj so mnogi sistemi odvisni od poteka procesa. Ista molekula se lahko združi v različne polimorfe, odvisno od zaporedja in intenzivnosti dovajanja energije, temperature, koncentracije, sestave topila in časa. Ultrazvok omogoča nadzorovano vnašanje mehanske energije v sistem, ne da bi pri tem spremenil molekularno strukturo gradnika.
Za kemijske inženirje je to odločilna prednost: ultrazvok je mogoče nastaviti glede na želene parametre. Amplitudo, moč, geometrijo sonotrode in reaktorja, temperaturo, čas zadrževanja, tlak in pretok je mogoče prilagajati, spremljati in prenesti iz preskusov izvedljivosti na večje obdelovalne količine.

Ultrazvok kot orodje za nadzor samosestavljanja

V študiji so preučevali samoorganizacijo racemske mešanice dveh enantiomernih molekul perilen bisimida. Brez ustreznega zunanjega dražljaja se lahko taki sistemi razvijejo po prednostni poti agregacije ali pa obtičijo v metastabilnih stanjih. Z uporabo nadzorovane ultrazvočne obdelave so raziskovalci uspeli doseči različne supramolekularne rezultate.
Ključna ugotovitev je preprosta, a pomembna: ultrazvok je spremenil pot samoorganizacije. Pri določenih temperaturah in koncentracijah je močan ultrazvok spodbudil prehod iz enega agregatnega stanja v drugega. V pogojih kinetične sonikacije je sistem oblikoval supramolekularni konglomerat. V pogojih termodinamične sonikacije pa je oblikoval racemični supramolekularni polimer z drugačno morfologijo in večjo stabilnostjo.
Znanstveni pomen je v zmožnosti vplivati na to, ali prevladuje homokiralna ali heterokiralna agregacija. Industrijski pomen pa izhaja iz širšega koncepta: ultrazvok lahko pomaga usmerjati molekularno organizacijo, ne le pospešiti predelavo.

To velja za:

• supramolekularni polimeri in funkcionalni organski materiali
• raziskave na področju kiralne agregacije in ločevanja racematov
• kristalizacija in presejanje polimorfov
• nastajanje nanovlaken, nanopalic in agregatov barvil
• razvoj formulacij in napredna obdelava materialov
• povečanje obsega kemijskih procesov z uporabo ultrazvoka

Vloga ultrazvočnih naprav Hielscher v supramolekularni kemiji

Za eksperimentalno delo je bila ultrazvočna obdelava izvedena z napravo Hielscher UP50H, kompaktnim laboratorijskim ultrazvočnim procesorjem. UP50H je 50 W, 30 kHz ultrazvočni aparat s sondo, zasnovan za majhne laboratorijske vzorce, ki se uporablja v kemijskih, bioloških, medicinskih in analitičnih laboratorijih. Hielscher opisuje model UP50H kot primeren za ročno ali stojalo pritrjeno delovanje ter za naloge, kot so dispergiranje, raztapljanje, emulgiranje in homogeniziranje majhnih količin vzorcev.
V tej študiji je naprava UP50H zagotovila ultrazvočno energijo, potrebno za sprožitev in usmerjanje preoblikovanja supramolekularnih agregatov. To kemikom ponazarja pomembno praktično spoznanje: laboratorijska sonikacija v majhnih volumnih lahko razkrije procesna okna, ki jih je sicer težko identificirati zgolj z mešanjem, segrevanjem ali pasivnim staranjem.
V supramolekularni kemiji se lahko zato ultrazvočni aparati s sondo, kot je model UP50H, uporabljajo ne le za pripravo vzorcev, temveč tudi kot aktivna eksperimentalna spremenljivka. S spreminjanjem temperature in trajanja ultrazvočne obdelave lahko raziskovalci preučujejo kinetične in termodinamične režime, preizkušajo poti agregacije ter identificirajo metastabilne ali stabilne polimorfe.
 

Spektroskopske študije racemske zmesi (R,R)- in (S,S)-PBI. a Kemijske strukture (R,R)- in (S,S)-PBI ter shematski prikaz ultrazvokom indukcijske supramolekularne polimerizacije racemične zmesi (R,R)- in (S,S)-PBI v konglomerate Con-Agg 1 in Con-Agg 2 ter racemični supramolekularni polimer Rac-Agg 4.
Študija in shema: ©Wehner et al., 2020

Od laboratorijskega odkritja do prilagodljive ultrazvočne obdelave

Ena od glavnih prednosti ultrazvočnih naprav podjetja Hielscher je razpoložljivost ultrazvočne opreme v celotni razvojni verigi: od kompaktnih laboratorijskih naprav do namiznih sistemov in industrijskih ultrazvočnih procesorjev. Podjetje Hielscher ponuja ultrazvočne naprave in sonde za obdelavo tekočin od laboratorijskega do proizvodnega obsega, z uporabo v kemijski obdelavi, zmanjševanju velikosti delcev, ekstrakciji, dispergiranju in homogenizaciji.
To je pomembno, ker številne obetavne sonokemične ali supramolekularne ugotovitve ne presežejo laboratorijske stopnje, če procesa ni mogoče ponoviti v večjem obsegu. Hielscherjev pristop k razvoju ultrazvočnih procesov temelji na nadzorljivih parametrih in prilagodljivih konfiguracijah opreme. Ko je enkrat opredeljeno učinkovito okno ultrazvočnega procesa, je mogoče proces prenesti na večje ultrazvočne sisteme z ohranjanjem ustreznega vnosa energije in pogojev obdelave.
Za industrijske uporabnike to pomeni, da se ultrazvok ne obravnava le kot raziskovalna metoda, temveč tudi kot procesna tehnologija.

Vgrajena ultrazvočna obdelava za neprekinjeno kemijsko predelavo

Ultrazvok v serijskem postopku je primeren za laboratorijsko presejanje in optimizacijo majhnih količin. Vendar pa kemijska proizvodnja pogosto zahteva neprekinjeno delovanje, ponovljivost in določene čase zadrževanja. Ultrazvočni sistemi podjetja Hielscher omogočajo ultrazvok v vgrajenem sistemu, pri katerem se tekočine črpajo skozi ultrazvočno pretočno celico ali reaktor in so pod nadzorovanimi pogoji izpostavljene kavitacijskemu polju.
Vgrajena ultrazvočna obdelava lahko poteka v načinu enega prehoda ali v načinu recirkulacije, kar omogoča, da tekočina enkrat ali večkrat preteče skozi območje ultrazvočne obdelave. Podjetje Hielscher navaja, da so njihovi ultrazvočni procesorji na voljo tako za serijsko kot za neprekinjeno vgrajeno obdelavo, od laboratorijskih in namiznih enot do polnega industrijskega obsega.

Na področju supramolekularne kemije in kemijskega inženirstva ponuja vgrajena ultrazvočna obdelava številne prednosti:

• nadzorovani čas zadrževanja v kavitacijski coni
• izboljšana ponovljivost v primerjavi z nekontroliranim mešanjem serije
• boljše upravljanje toplote s pomočjo pretočnih celic in zunanjega hlajenja
• neprekinjena obdelava večjih količin
• lažja integracija v obstoječe proizvodne linije za kemikalije
• prilagodljiva intenzivnost obdelave s spreminjanjem pretoka, amplitude in konfiguracije reaktorja

V kemiji, odvisni od poteka reakcij, so ti parametri lahko ključnega pomena. Če se supramolekularni sistem drugače odziva na kratko, intenzivno ultrazvočno obdelavo kot na daljšo, blago ultrazvočno obdelavo, vgrajena obdelava zagotavlja inženirski okvir za opredelitev in ponovitev te izpostavljenosti.

Linearno povečanje obsega: od sonokemičnega presejanja do proizvodnje

Ultrazvočna tehnologija podjetja Hielscher je zasnovana za povečanje obsega od laboratorijskih preskusov do industrijske predelave. Pri večjih sistemih je mogoče procesne parametre, kot so amplituda, tlak in temperatura, najprej optimizirati v manjših napravah in nato prenesti na opremo z večjo zmogljivostjo. Podjetje Hielscher opisuje učinkovitost ultrazvočnega procesa kot linearno prilagodljivo, ko je enkrat določena optimalna konfiguracija parametrov.
Ta zmožnost linearnega povečanja obsega je še posebej pomembna za kemike in procesne inženirje, ki delajo z občutljivimi supramolekularnimi sistemi. Samoorganizirani materiali so pogosto odvisni od ozkih procesnih okvirjev. Sprememba intenzivnosti mešanja, časa zadrževanja, temperaturnega profila ali energijske gostote lahko spremeni morfologijo proizvoda. Prilagodljivi ultrazvočni sistemi pomagajo zmanjšati to tveganje, saj ohranjajo določene pogoje sonikacije, ko se proces širi od mililitrov do litrov in nazadnje do pretokov v proizvodnem obsegu.
Podjetje Hielscher ponuja tudi industrijske vgrajene reaktorje, kot je MultiSonoReactor, za sonikacijo z visoko zmogljivostjo v proizvodni liniji. Ti sistemi so namenjeni za uporabo pri postopkih, kot so homogenizacija, mešanje, disperzija, ekstrakcija in sonokemične reakcije.

Znanstvena in industrijska pomembnost supramolekularnih polimorfov, sintetiziranih z ultrazvokom

Študija o ultrazvokom nadzorovanem supramolekularnem polimorfizmu je pomembna, ker prikazuje, kako je mogoče ultrazvočne učinke v kemiji izkoristiti za doseganje različnih agregatnih stanj iz istega molekularnega sistema. Namesto da bi spreminjali molekulo, so raziskovalci spremenili pogoje procesa. Prav to je tisto, kar sonikacijo naredi privlačno za industrijsko kemijo: rezultate lahko izboljša z intenzifikacijo procesa, namesto z dodatnimi sinteznimi koraki.
Na področju znanstvenih raziskav ti izsledki prispevajo k globljemu razumevanju kiralnega samoorganiziranja, kinetičnega zadrževanja, termodinamičnega nadzora in supramolekularnih energijskih pokrajin. V industriji lahko ta ista načela omogočijo izboljšano presejanje polimorfov, hitrejši razvoj funkcionalnih materialov, boljši nadzor nad morfologijo agregatov ter bolj ponovljivo obdelavo naprednih kemijskih sistemov.

V praksi lahko ultrazvok kemikom in kemijskim inženirjem pomaga pri:

• pospešiti preoblikovanja s samoorganizacijo
• spodbujati sicer nedostopne poti agregacije
• izboljšati ponovljivost v sistemih, odvisnih od signalnih poti
• zmanjšati odvisnost od dolgih časov uravnoteženja
• prikaz kinetičnih in termodinamičnih stanj produktov
• vključitev obetavnih laboratorijskih rezultatov v proizvodne procese

Ultrazvočna obdelava kot ključna tehnologija

Močan ultrazvok je ključna tehnologija za supramolekularno kemijo. Nadzorovano dovajanje akustične energije lahko vpliva na molekularno organizacijo kompleksnih sistemov in omogoča dostop do struktur, ki jih je težko doseči zgolj s konvencionalnim mešanjem ali toplotno obdelavo.
Navedeno raziskavo z napravo Hielscher UP50H dokazuje pomen natančne laboratorijske ultrazvočne obdelave za temeljne raziskave na področju supramolekularne kemije. Z večjimi namiznimi in industrijskimi ultrazvočnimi napravami podjetja Hielscher je mogoče isto tehnološko platformo razširiti na optimizacijo procesov, obdelavo v proizvodni liniji in linearno povečanje obsega.
Kemikom to odpira nove eksperimentalne poti na področju samoorganizacije in nadzora polimorfov. Kemijskim inženirjem pa ponuja prilagodljivo procesno orodje za pretvorbo ultrazvočnih učinkov v kemiji v zanesljive proizvodne strategije.

Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov:

Projektiranje, izdelava in svetovanje – Kakovost izdelana v Nemčiji

Hielscher ultrazvočni aparati so znani po svojih najvišjih standardih kakovosti in oblikovanja. Robustnost in enostavno upravljanje omogočata nemoteno integracijo naših ultrazvočnih aparatov v industrijske objekte. Težke pogoje in zahtevna okolja zlahka obvladajo Hielscher ultrasonicatorji.

Hielscher Ultrasonics je podjetje s certifikatom ISO in daje poseben poudarek visoko zmogljivim ultrazvočnim aparatom z najsodobnejšo tehnologijo in prijaznostjo do uporabnika. Seveda so Hielscher ultrazvočni aparati skladni s CE in izpolnjujejo zahteve UL, CSA in RoHs.

Literatura / Reference