Supramolekularne strukture, sestavljene s sonikacijo
Sonikacija je močno in vsestransko orodje v supramolekularni kemiji, saj omogoča natančen nadzor nad nekovalentnimi procesi sestavljanja, ki so pogosto občutljivi na kinetične in termodinamične parametre. Uporaba močnega ultrazvoka v tekočem mediju vpliva na molekularne interakcije, pospešuje samosestavljanje, povečuje mešanje in spodbuja strukturno reorganizacijo na nanoskali.
Kako sonikacija vpliva na supramolekularno sestavo
V supramolekularnih sistemih, kjer šibke interakcije, kot so vodikova vez, π-π zlaganje, koordinacija kovin in van der Waalsove sile, določajo oblikovanje strukture, lahko ultrazvok selektivno vpliva na način sestavljanja. Omogoča homogeno nukleacijo, pomaga pri disperziji gradnikov in olajša nastanek metastabilnih ali kinetično ujetih struktur, ki so v običajnih pogojih pogosto nedostopne. Poleg tega lahko sonikacija uravnava ravnovesje med sestavljenimi in razstavljenimi stanji, kar ponuja dinamično sredstvo za nadzor reverzibilnih supramolekularnih sistemov.
Poleg fizikalnih učinkov sonokemija zagotavlja okolju prijazen in energetsko učinkovit pristop. – se pogosto izvajajo v blagih pogojih ali brez topil – zaradi česar je privlačen za sintezo supramolekularnih gelov, nanovlaken, kompleksov gostitelj-gost in hibridnih nanostruktur. Zato sonikacija ni le tehnika priprave vzorcev, temveč tudi osrednje mehanokemično gonilo pri racionalnem načrtovanju in obdelavi supramolekularnih materialov.
Sonikator UP400St za učinkovito sintezo supramolekularnih struktur
Ultrazvočno spodbujena sinteza supramolekul
Sonikacija lahko z akustično kavitacijo, prehodnimi strižnimi gradienti in mikrodelovanjem spodbuja nastanek, stabilizacijo ali transformacijo številnih supramolekularnih sistemov. Naslednje kategorije ponazarjajo tipične strukture, ki jih dobimo ali na katere vplivamo z ultrazvočno podprtim samosestavljanjem:
- Supramolekularni kompleksi gostitelj-gost
Ciklodekstrinski inkluzivni kompleksi
Sistemi gostitelj-gost na osnovi bučnic
Sestavi kalixarena in pillar[5]arena
Mehansko povezane molekule (rotaksani, katenani) - Supramolekularni grafenov oksid in 2D hibridi
- π-π zloženi kompleksi grafenovega oksida s kromofori
- supramolekularni hibridi grafenovega oksida in polimerov
- Nekovalentna funkcionalizacija s porfirini, fulereni ali peptidi
- Supramolekularna nanovlakna in nanocevke
- Peptidne amfifilne nanovlakna
- π-konjugirana nanovlakna (npr. derivati perilen bisimida, porfirina ali cianina)
- Vodikovo vezane ali π-π zložene nanocevke
- Supramolekularni geli (sonogeli)
- Organogeli in hidrogeli, ki jih sproži ali stabilizira ultrazvok
- Sol-gel prehodi, povzročeni z lokaliziranim segrevanjem in striženjem
- Reverzibilne supramolekularne mreže (vezane s H, kovinsko-ligandne ali ionske)
- Supramolekularni agregati in konglomerati
- Miceli in vezikli iz amfifilnih molekul
- Koakervati in koloidni sklopi
- Kiralni konglomerati in polimorfni sklopi pod vplivom ultrazvočne energije
- Supramolekularne nanogobe in porozni okvirji
- Nanosponge na osnovi ciklodekstrina
- Sonokemično ustvarjena kovinsko-organska ogrodja (MOF) in kovalentna organska ogrodja (COF)
- Porozne supramolekularne mreže, ki se uporabljajo za katalizo ali nalaganje zdravil
- Druge supramolekularne arhitekture, odzivne na ultrazvok
- Supramolekularne kapsule in nanokapside
- Samonikle monoslojne plasti (SAM) in večslojne plasti
- Supramolekularne strukture na osnovi DNK
- Koordinacijski polimeri in metalogeli
(Študija in film: Rutgeerts et al., 2019)
Ultrazvočne aplikacije v supramolekularni sestavi
Ultrazvok vpliva na supramolekularno samosestavljanje z mehanskimi, toplotnimi in kavitacijskimi učinki.
Ti ključni procesi vključujejo:
- Emulgiranje in oblikovanje nanoemulzij
- olajša supramolekularno enkapsulacijo v sistemih olje/voda
- Spodbuja homogeno mešanje nemešanih faz
- Zmanjševanje velikosti delcev in deagregacija
- razbije večje supramolekularne agregate ali kristale
- Nadzoruje morfologijo in polidisperznost
- Disperzija in homogenizacija
- izboljša disperzijo nanodelcev ali supramolekularnih gradnikov v topilih
- Izboljša enakomernost pri oblikovanju gela ali hibridnega materiala
- Izboljšanje enkapsulacije in kompleksacije
- Pospešuje vključevanje gostov v ciklodekstrine ali micelarne sisteme
- Spodbuja oblikovanje nanokapsul za dostavo zdravil ali katalizo
- Spajanje vlaken / skrajševanje dolžine
- Krajšanje peptidnih ali polimernih nanovlaken s kavitacijskim striženjem
- Nadzorovana fragmentacija supramolekularnih filamentov in nanocevk
- Kristalizacija in nadzor polimorfov
- Ultrazvočno podprta nukleacija za nadzorovano rast kristalov
- Ustvarjanje metastabilnih ali kinetično ugodnih supramolekularnih polimorfov
- Mreženje in oblikovanje mreže
- Povzroča reorganizacijo vezi v vodikovo vezanih omrežjih ali omrežjih kovina-ligand
- sproži nastanek supramolekularnih kovinsko-organskih ogrodij (MOF)
- Spodbuja nastanek supramolekularnih hidrogeolov in sonogelov
- Sonokemična aktivacija in funkcionalizacija
- Začenja reakcije za supramolekularno modifikacijo
- Omogoča nekovalentno pritrditev funkcionalnih delov na gostiteljske skelete
- Razgradnja in reverzibilna razgradnja
- Uporaba ultrazvočne energije za reverzibilno razstavljanje supramolekularnih konstrukcij
- Nadzorovano sproščanje enkapsuliranih vrst ob ultrazvočni stimulaciji
Pridobite najboljši sonikator za supramolekule
Hielscherjevi sonikatorji so visoko zmogljivi ultrazvočni sistemi tipa sonda, posebej zasnovani za natančno dovajanje energije v procesih v tekoči fazi, zaradi česar so izjemno primerni za sonokemično in supramolekularno sestavljanje kompleksnih arhitektur. Njihov natančen nadzor amplitude, časa, načina impulza in temperature omogoča ponovljivo dinamiko kavitacije, kar spodbuja učinkovito mešanje, izboljšan prenos mase in aktivacijo nekovalentnih interakcij, ki so bistvene za supramolekularno organizacijo. V sonokemiji lahko takšna nadzorovana akustična kavitacija pospeši samosestavljanje, olajša kompleksacijo gostitelj-gost in vpliva na morfologijo ali stabilnost supramolekularnih agregatov. Robustnost, razširljivost in digitalno spremljanje procesa Hielscherjevih naprav omogočajo natančno prilagajanje reakcijskih pogojev od laboratorijskih poskusov v majhnem obsegu do industrijske sinteze, kar povezuje temeljne supramolekularne raziskave z uporabno proizvodnjo materialov.
Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov:
| Obseg serije | Pretok | Priporočene naprave |
|---|---|---|
| 0.5 do 1.5 ml | n.a. | VialTweeter |
| 1 do 500 ml | 10 do 200 ml / min | UP100H |
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 00,2 do 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 do 150L | 3 do 15 l/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 do 100 l/min | UIP16000hdT |
| n.a. | Večji | Grozd UIP16000hdT |
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.
Ultrazvočna emulgacija spodbuja sestavljanje supramolekularnih struktur
Literatura / Reference
- 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.
Pogosto zastavljena vprašanja
Kaj je supramolekula / supermolekula?
Supramolekula ali supermolekula je diskretni kemijski sklop dveh ali več molekul, ki jih držijo skupaj nekovalentne interakcije, kot so vodikova vez, π-π zlaganje, koordinacija kovin ali van der Waalsove sile. Za razliko od kovalentno vezanih molekul te strukture nastanejo z reverzibilnimi in pogosto zelo selektivnimi procesi samosestavljanja, kar vodi do kompleksnih arhitektur z novimi lastnostmi.
Katere so osnovne metode v supramolekularni kemiji?
Osnovne metode v supramolekularni kemiji se vrtijo okoli molekularnega prepoznavanja in samoorganizacije. Kemija gostitelja in gosta, sinteza po predlogah, koordinacijska kemija in samosestavljanje, ki ga poganjajo šibke medmolekulske sile, so konceptualni in eksperimentalni temelji. Analitična orodja, kot so spektroskopija NMR, izotermna titracijska kalorimetrija in rentgenska kristalografija, so ključna za kvantitativno in strukturno preučevanje teh interakcij.
Kaj je supramolekularna naprava?
Supramolekularna naprava je funkcionalni sistem, v katerem so molekularne komponente organizirane z nekovalentnimi interakcijami za izvajanje posebnih nalog, kot so prenos signala, molekularno preklapljanje, kataliza ali pretvorba energije. Te naprave pogosto posnemajo biološke funkcije in izkoriščajo nadzorovano molekularno gibanje in reverzibilnost na nanoskali.
Ali so MOF-i supramolekularne strukture?
Kovinsko-organska ogrodja (MOF) lahko dejansko obravnavamo kot supramolekularne strukture, saj so njihove razširjene kristalne mreže zgrajene s koordinacijskimi vezmi med kovinskimi ioni ali skupki in organskimi povezovalci. Čeprav so te vezi delno kovalentne narave, jih modularna, samosestavljiva narava MOF in njihova odvisnost od usmerjenih, reverzibilnih interakcij konceptualno uvrščata v širše področje supramolekularne kemije.
Hielscher Ultrasonics proizvaja visoko zmogljive ultrazvočne homogenizatorje iz laboratorij k industrijska velikost.