Sonikimi hap rrugë të reja në kiminë supramolekulare

Kimia supramolekulare mbështetet në ndërveprime të dobëta dhe të kthyeshme: lidhje hidrogjenore, stivim π–π, forca të van der Waals-it, efekte solvofobike dhe njohje kirale. Këto ndërveprime u mundësojnë molekulave të vetëorganizohen në arkitektura më të mëdha, si fibra, shufra, xhele, agregate dhe polimere supramolekulare. Për kimistët dhe inxhinierët kimikë, sfida nuk është vetëm të formojnë struktura të tilla, por të kontrollojnë se cila strukturë formohet, sa shpejt formohet dhe nëse mbetet e bllokuar kinetikisht apo arrin gjendjen termodinamikisht më të qëndrueshme.

Efektet e ultratingujve në kimi: sonikimi kontrollon vetëorganizimin supramolekular

Një studim shkencor nga Wehner et al. (2020), i botuar në Nature Communications, tregon se trajtimi me ultratinguj mund të përdoret si një stimul i jashtëm i fuqishëm për të kontrolluar rrugët e vetëorganizimit në kiminë supramolekulare. Studiuesit hetuan një përzierje racemike të molekulave kirale të bisimidit të perilenit dhe treguan se sonikimi mund të drejtonte formimin e polimorfeve të dallueshme supramolekulare. Në varësi të kushteve të trajtimit me ultratinguj, sistemi prodhoi struktura të ndryshme të vetëorganizuara, përfshirë konglomerate të kontrolluara kinetikisht dhe një polimer supramolekular racemik termodinamikisht të qëndrueshëm. Studimi përdori shprehimisht një procesor me ultratinguj Hielscher UP50H për trajtimin me ultratinguj, i cili punonte në 30 kHz, 50 W dhe amplitudë 100%.
Ky rezultat ka rëndësi të madhe për kiminë moderne të materialeve, sepse tregon se ultratingujt nuk janë thjesht një mjet për përzierje ose dispergim. Në kushte të përcaktuara mirë, sonikimi mund të shërbejë si parametër procesi për kontrollin e rrugëve molekulare.

Pse kanë rëndësi efektet e ultratingujve në kimi

Efektet e ultratingujve në kimi shkaktohen kryesisht nga kavitacioni akustik. Kur ultratinguj me intensitet të lartë futen në një lëng, ciklet e alternuara të presionit krijojnë flluska mikroskopike kavitacioni. Rritja dhe kolapsi i tyre prodhojnë kushte të lokalizuara me energji të lartë, mikrorrjedhje intensive, gradientë të fortë të prerjes dhe transferim efikas të masës. Në proceset kimike dhe ato të materialeve, këto efekte mund të ndikojnë në nukleacion, agregim, formimin e grimcave, dispergim, kristalizim dhe vetëorganizim.
Në kiminë supramolekulare, kjo është veçanërisht e vlefshme, sepse shumë sisteme varen nga rruga e ndjekur. E njëjta molekulë mund të organizohet në polimorfe të ndryshme në varësi të rendit dhe intensitetit të furnizimit me energji, temperaturës, përqendrimit, përbërjes së tretësit dhe kohës. Sonikimi ofron një mënyrë të kontrollueshme për të futur energji mekanike në sistem pa ndryshuar strukturën molekulare të njësisë përbërëse.
Për inxhinierët kimikë, ky është një avantazh vendimtar: ultratingujt mund të parametrizohen. Amplituda, fuqia, gjeometria e sonotrodës dhe e reaktorit, temperatura, koha e qëndrimit, presioni dhe prurja mund të rregullohen, të monitorohen dhe të transferohen nga provat e fizibilitetit në vëllime më të mëdha përpunimi.

Sonikimi si mjet për kontrollin e vetëorganizimit

Studimi shqyrtoi vetorganizimin e një përzierjeje racemike të dy molekulave enantiomerike të bisimidit të perilenit. Në mungesë të stimulit të duhur të jashtëm, sisteme të tilla mund të ndjekin një rrugë të parapëlqyer agregimi ose të mbeten të bllokuara në gjendje metastabile. Duke zbatuar trajtim të kontrolluar me ultratinguj, studiuesit arritën të përftonin rezultate të ndryshme supramolekulare.
Gjetja kryesore është e qartë, por me peshë: sonikimi ndryshoi rrugën e vetorganizimit. Në temperatura dhe përqendrime specifike, ultratingujt me fuqi të lartë nxitën shndërrimin nga një gjendje agregati në një tjetër. Në kushte kinetike të sonikimit, sistemi formoi një konglomerat supramolekular. Në kushte termodinamike të sonikimit, ai formoi një polimer supramolekular racemik me morfologji të ndryshme dhe qëndrueshmëri më të lartë.
Ndikimi shkencor qëndron në aftësinë për të ndikuar në mbizotërimin e agregimit homokiral ose heterokiral. Ndikimi industrial qëndron në konceptin më të gjerë: sonikimi mund të ndihmojë në drejtimin e organizimit molekular, jo vetëm në përshpejtimin e përpunimit.

Kjo ka rëndësi për:

• polimeret supramolekulare dhe materialet organike funksionale
• kërkimin mbi agregimin kiral dhe ndarjen e racemateve
• kristalizimin dhe testimin e polimorfeve
• formimin e nanofibrave, nanoshufrave dhe agregateve të ngjyruesve
• zhvillimin e formulimeve dhe përpunimin e materialeve të avancuara
• rritjen e shkallës së proceseve kimike të asistuara nga ultratingujt

Roli i sonikatorëve Hielscher në kiminë supramolekulare

Për punën eksperimentale, trajtimi me ultratinguj u krye me Hielscher UP50H, një procesor ultrasonik kompakt laboratorik. UP50H është një sonikator me sondë, me fuqi 50 W dhe frekuencë 30 kHz, i projektuar për mostra të vogla laboratorike dhe përdoret në laboratorë kimikë, biologjikë, mjekësorë dhe analitikë. Hielscher e përshkruan UP50H si të përshtatshëm për përdorim duke e mbajtur në dorë ose të montuar në stativ dhe për detyra si dispergimi, tretja, emulsifikimi dhe homogjenizimi i vëllimeve të vogla të mostrave.
Në këtë studim, UP50H siguroi energjinë ultrasonike të nevojshme për të shkaktuar dhe drejtuar shndërrimin e agregateve supramolekulare. Kjo ilustron një pikë të rëndësishme praktike për kimistët: sonikimi laboratorik i vëllimeve të vogla mund të zbulojë intervale të kushteve të procesit që përndryshe janë të vështira për t’u identifikuar vetëm me përzierje, ngrohje ose vjetërim pasiv.
Për kiminë supramolekulare, sonikatorët me sondë si UP50H mund të përdoren, pra, jo vetëm për përgatitjen e mostrave, por edhe si një variabël eksperimentale aktive. Duke ndryshuar temperaturën dhe kohëzgjatjen e sonikimit, studiuesit mund të hetojnë regjimet kinetike dhe termodinamike, të testojnë rrugët e agregimit dhe të identifikojnë polimorfe metastabile ose të qëndrueshme.
 

Studime spektroskopike të përzierjes racemike të (R,R)- dhe (S,S)-PBI. a Strukturat kimike të (R,R)- dhe (S,S)-PBI dhe paraqitja skematike e polimerizimit supramolekular të nxitur nga ultratingujt të përzierjes racemike të (R,R)- dhe (S,S)-PBI në konglomeratet Con-Agg 1 dhe Con-Agg 2 dhe në polimerin supramolekular racemik Rac-Agg 4.
Studimi dhe skema: ©Wehner et al., 2020

Nga zbulimi laboratorik te përpunimi ultrasonik me shkallë të zgjerueshme

Një përparësi e madhe e sonikatorëve Hielscher është disponueshmëria e pajisjeve ultrasonike përgjatë të gjithë zinxhirit të zhvillimit: nga pajisjet kompakte laboratorike te sistemet e tavolinës dhe procesorët ultrasonikë industrialë. Hielscher ofron ultrasonikatorë dhe sonda për përpunimin e lëngjeve nga shkalla laboratorike deri në shkallën e prodhimit, me zbatime që përfshijnë përpunimin kimik, zvogëlimin e madhësisë së grimcave, ekstraktimin, dispergimin dhe homogjenizimin.
Kjo ka rëndësi sepse shumë rezultate premtuese sonokimike ose supramolekulare nuk arrijnë të zbatohen përtej laboratorit kur procesi nuk mund të riprodhohet në shkallë më të madhe. Qasja e Hielscher ndaj zhvillimit të proceseve ultrasonike bazohet në parametra të kontrollueshëm dhe konfigurime pajisjesh që mund të përshtaten për shkallë më të mëdha. Pasi të jetë identifikuar një diapazon efektiv i kushteve të procesit ultrasonik, procesi mund të transferohet në sisteme ultrasonike më të mëdha duke ruajtur energjinë përkatëse të furnizuar dhe kushtet e përpunimit.
Për përdoruesit industrialë, kjo do të thotë se sonikimi mund të konsiderohet jo vetëm si metodë kërkimore, por edhe si teknologji procesi.

Sonikimi në linjë për përpunim kimik të vazhdueshëm

Sonikimi me tufa është i dobishëm për vlerësimin paraprak laboratorik dhe optimizimin e vëllimeve të vogla. Megjithatë, prodhimi kimik shpesh kërkon funksionim të vazhdueshëm, riprodhueshmëri dhe kohë të përcaktuara qëndrimi. Sistemet ultrasonike Hielscher mundësojnë sonikimin në linjë, ku lëngjet pompohen përmes një qelize rrjedhjeje ultrasonike ose një reaktori dhe ekspozohen ndaj fushës së kavitacionit në kushte të kontrolluara.
Sonikimi në linjë mund të kryhet në regjim me një kalim të vetëm ose në regjim riqarkullimi, duke lejuar që lëngu të kalojë një ose disa herë përmes zonës së trajtimit ultrasonik. Hielscher deklaron se procesorët e tij ultrasonikë janë të disponueshëm si për përpunim me tufa, ashtu edhe për përpunim të vazhdueshëm në linjë, nga njësitë laboratorike dhe ato të tavolinës deri në shkallë të plotë industriale.

Për kiminë supramolekulare dhe inxhinierinë kimike, sonikimi në linjë ofron disa përparësi:

• kohë qëndrimi e kontrolluar në zonën e kavitacionit
• riprodhueshmëri e përmirësuar krahasuar me agjitimin e pakontrolluar me tufa
• menaxhim më i mirë i nxehtësisë përmes qelizave të rrjedhjes dhe ftohjes së jashtme
• përpunim i vazhdueshëm për vëllime më të mëdha
• integrim më i lehtë në linjat ekzistuese të prodhimit kimik
• intensitet trajtimi që mund të përshtatet për shkallë më të mëdha duke rregulluar prurjen, amplitudën dhe konfigurimin e reaktorit

Në kiminë që varet nga rruga e procesit, këta parametra mund të jenë kritikë. Nëse një sistem supramolekular reagon ndryshe ndaj sonikimit të shkurtër dhe intensiv sesa ndaj sonikimit të zgjatur dhe të butë, përpunimi në linjë ofron kuadrin inxhinierik për ta përcaktuar dhe riprodhuar atë ekspozim.

Kalimi linear në shkallë më të madhe: Nga vlerësimi paraprak sonokimik te prodhimi

Teknologjia ultrasonike Hielscher është projektuar për kalimin nga testimi laboratorik në përpunimin industrial. Për sistemet e mëdha, parametrat e procesit si amplituda, presioni dhe temperatura mund të optimizohen në instalime më të vogla dhe më pas të transferohen në pajisje me kapacitet më të lartë përpunimi. Hielscher e përshkruan efikasitetin e procesit ultrasonik si të shkallëzueshëm në mënyrë lineare pasi të jetë identifikuar konfigurimi optimal i parametrave.
Kjo aftësi për kalim linear në shkallë më të madhe është veçanërisht e rëndësishme për kimistët dhe inxhinierët e proceseve që punojnë me sisteme supramolekulare të ndjeshme. Materialet e vetëorganizuara shpesh varen nga diapazone të ngushta të kushteve të procesit. Një ndryshim në intensitetin e përzierjes, kohën e qëndrimit, profilin e temperaturës ose dendësinë e energjisë mund të ndryshojë morfologjinë e produktit. Sistemet ultrasonike që mund të përshtaten për shkallë më të mëdha ndihmojnë në uljen e këtij rreziku duke ruajtur kushte të përcaktuara sonikimi ndërsa procesi kalon nga mililitra në litra dhe, përfundimisht, në prurje të shkallës së prodhimit.
Hielscher ofron gjithashtu reaktorë industrialë në linjë, si MultiSonoReactor, për sonikim në linjë me kapacitet të lartë përpunimi. Këto sisteme janë projektuar për zbatime që përfshijnë homogjenizimin, përzierjen, dispergimin, ekstraktimin dhe reaksionet sonokimike.

Rëndësia shkencore dhe industriale e polimorfeve supramolekulare të sintetizuara me ultratinguj

Studimi mbi polimorfizmin supramolekular të kontrolluar me ultratinguj është i rëndësishëm sepse demonstron se si efektet e ultratingujve në kimi mund të përdoren për të përftuar gjendje të ndryshme të materialit nga i njëjti sistem molekular. Në vend që të ndryshonin molekulën, studiuesit ndryshuan kushtet e procesit. Pikërisht këtu sonikimi bëhet tërheqës për kiminë industriale: ai mund të përmirësojë rezultatet përmes intensifikimit të procesit në vend të hapave shtesë të sintezës.
Për kërkimin shkencor, gjetjet kontribuojnë në një kuptim më të thellë të vetëorganizimit kiral, bllokimit kinetik, kontrollit termodinamik dhe peizazheve energjetike supramolekulare. Për industrinë, të njëjtat parime mund të mbështesin testimin e përmirësuar të polimorfeve, zhvillimin më të shpejtë të materialeve funksionale, kontrollin më të mirë të morfologjisë së agregateve dhe përpunimin më të riprodhueshëm të sistemeve kimike të avancuara.

Në terma praktikë, sonikimi mund t’i ndihmojë kimistët dhe inxhinierët kimikë:

• të përshpejtojnë shndërrimet e vetëorganizimit
• të nxisin rrugë agregimi që përndryshe janë të paarritshme
• të përmirësojnë riprodhueshmërinë në sistemet që varen nga rruga e ndjekur
• të zvogëlojnë varësinë nga kohët e gjata të arritjes së ekuilibrit
• të testojnë gjendjet kinetike dhe termodinamike të produktit
• të transferojnë rezultatet premtuese laboratorike në procese në linjë

Përpunimi me ultratinguj si teknologji mundësuese

Ultratingujt me fuqi të lartë janë një teknologji mundësuese për kiminë supramolekulare. Futja e kontrolluar e energjisë akustike mund të ndikojë në organizimin molekular të sistemeve komplekse dhe të mundësojë përftimin e strukturave që janë të vështira për t’u përftuar vetëm me përzierje konvencionale ose trajtim termik.
Me Hielscher UP50H, studimi i cituar demonstron vlerën e sonikimit të saktë laboratorik për kërkimin themelor supramolekular. Me sonikatorët më të mëdhenj të tavolinës dhe ata industrialë të Hielscher, e njëjta platformë teknologjike mund të zgjerohet drejt optimizimit të procesit, trajtimit në linjë dhe rritjes lineare të shkallës.
Për kimistët, kjo hap rrugë të reja eksperimentale në vetëorganizim dhe në kontrollin e polimorfeve. Për inxhinierët kimikë, ajo ofron një mjet procesi me shkallë të rritshme për t’i shndërruar efektet e ultratingujve në kimi në strategji të besueshme prodhimi.

Tabela më poshtë ju jep një tregues të kapacitetit të përafërt të përpunimit të ultrasonikatorëve tanë:

Projektim, prodhim dhe këshillim – Cilësi e prodhuar në Gjermani

Ultrasonikatorët Hielscher njihen për standardet e tyre më të larta të cilësisë dhe projektimit. Qëndrueshmëria dhe përdorimi i lehtë mundësojnë integrimin pa vështirësi të ultrasonikatorëve tanë në impiantet industriale. Ultrasonikatorët Hielscher i përballojnë lehtësisht kushtet e vështira dhe mjediset kërkuese.

Hielscher Ultrasonics është një kompani e certifikuar sipas ISO dhe i kushton vëmendje të veçantë ultrasonikatorëve me performancë të lartë, që përfshijnë teknologjinë më të avancuar dhe janë të lehtë për t’u përdorur. Sigurisht, ultrasonikatorët Hielscher janë në përputhje me CE dhe plotësojnë kërkesat e UL, CSA dhe RoHs.

Literaturë / Referenca

• Wehner, M., Röhr, M.I.S., Stepanenko, V. et al. (2020): Control of self-assembly pathways toward conglomerate and racemic supramolecular polymers. Nature Communications 11, 5460 (2020).
• 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.
• Subhankar Paul and Sailendra Mahanta (2015): Preparation and Characterization of Self-Assembled Graphene Oxide Supramolecular Structures. Journal of Medical and Bioengineering, Vol. 4, No. 6, pp. 480-483, December 2015.
• F. Portone, M. Amorini, M. Montanari, R. Pinalli, A. Pedrini, R.V erucchi, R. Brighenti, E. Dalcanale (2023): Molecular Auxetic Polymer of Intrinsic Microporosity via Conformational Switching of a Cavitand Crosslinker. Advanced Functional Materials 2023, 33, 2307605.