Соникација отвара нове путеве у супрамолекулској хемији

Супрамолекулска хемија заснива се на слабим, реверзибилним интеракцијама: водоничном везивању, π–π слагању, ван дер Валсовим силама, солвофобним ефектима и хиралном препознавању. Ове интеракције омогућавају молекулима да се самоорганизују у веће архитектуре као што су влакна, штапићи, гелови, агрегати и супрамолекулски полимери. За хемичаре и хемијске инжењере изазов није само формирање таквих структура, већ и контрола тога која структура настаје, колико брзо настаје и да ли остаје кинетички заробљена или достиже термодинамички најстабилније стање.

Ултразвучни ефекти у хемији: соникација контролише супрамолекулско самосклапање

Научна студија аутора Wehner et al. (2020), објављена у часопису Nature Communications, показује да се ултразвучна обрада може користити као снажан спољашњи стимулус за контролу путева самосклапања у супрамолекулској хемији. Истраживачи су испитивали рацемску смешу хиралних молекула перилен-бисимида и показали да соникација може усмеравати формирање различитих супрамолекулских полиморфа. У зависности од услова ултразвучне обраде, систем је стварао различите самосклопљене структуре, укључујући кинетички контролисане конгломерате и термодинамички стабилан рацемски супрамолекулски полимер. У студији је изричито наведено да је за ултразвучну обраду коришћен ултразвучни процесор Hielscher UP50H, који је радио на 30 kHz, 50 W и при амплитуди од 100%.
Овај резултат је веома значајан за савремену хемију материјала јер показује да ултразвук није само средство за мешање или дисперговање. Под добро дефинисаним условима, соникација може деловати као процесни параметар за контролу путева молекулског организовања.

Зашто су ултразвучни ефекти важни у хемији

Ултразвучне ефекте у хемији углавном изазива акустична кавитација. Када се ултразвук високог интензитета уводи у течност, наизменични циклуси притиска стварају микроскопске кавитационе мехуриће. Њихов раст и колапс стварају локализоване високоенергетске услове, интензивно микрострујање, велике градијенте смицања и ефикасан пренос масе. У хемијским процесима и процесима обраде материјала ови ефекти могу утицати на нуклеацију, агрегацију, формирање честица, дисперговање, кристализацију и самосклапање.
У супрамолекулској хемији ово је посебно драгоцено јер многи системи зависе од пута којим се процес одвија. Исти молекул може се склапати у различите полиморфе у зависности од редоследа и интензитета уноса енергије, температуре, концентрације, састава растварача и времена. Соникација пружа начин да се механичка енергија контролисано унесе у систем без промене молекулске структуре градивне јединице.
За хемијске инжењере ово је пресудна предност: ултразвук се може параметризовати. Амплитуда, снага, геометрија сонотроде и реактора, температура, време задржавања, притисак и запремински проток могу се подешавати, пратити и преносити са испитивања изводљивости на веће запремине обраде.

Соникација као средство за контролу самосклапања

У студији је испитивана самоорганизација рацемске смеше два енантиомерна молекула перилен-бисимида. У одсуству одговарајућег спољашњег стимулуса, такви системи могу да следе преференцијални пут агрегације или да остану заробљени у метастабилним стањима. Применом контролисане ултразвучне обраде, истраживачи су успели да остваре различите супрамолекулске исходе.
Кључни налаз је једноставан, али значајан: соникација је променила пут самоорганизације. При одређеним температурама и концентрацијама, ултразвук велике снаге подстицао је прелазак из једног стања агрегата у друго. У кинетичким условима соникације, систем је формирао супрамолекулски конгломерат. У термодинамичким условима соникације, формирао је рацемски супрамолекулски полимер другачије морфологије и веће стабилности.
Научни значај лежи у могућности да се утиче на то да ли доминира хомохирална или хетерохирална агрегација. Индустријски значај лежи у ширем концепту: соникација може помоћи у усмеравању молекулске организације, а не само у убрзавању обраде.

Ово је релевантно за:

• супрамолекулске полимере и функционалне органске материјале
• истраживање хиралне агрегације и раздвајања рацемата
• кристализацију и скрининг полиморфа
• формирање нановлакана, наноштапића и агрегата боја
• развој формулација и обраду напредних материјала
• повећање размера хемијских процеса потпомогнутих ултразвуком

Улога соникатора Hielscher у супрамолекулској хемији

У експерименталном раду, ултразвучна обрада је спроведена помоћу уређаја Hielscher UP50H, компактног лабораторијског ултразвучног процесора. UP50H је соникатор са сондом снаге 50 W и фреквенције 30 kHz, намењен малим лабораторијским узорцима, који се користи у хемијским, биолошким, медицинским и аналитичким лабораторијама. Hielscher описује UP50H као погодан за рад уз држање у руци или монтирање на сталак, као и за задатке попут дисперговања, растварања, емулговања и хомогенизације малих запремина узорака.
У овој студији, UP50H је обезбедио ултразвучну енергију потребну за покретање и усмеравање трансформације супрамолекулских агрегата. Ово илуструје важну практичну чињеницу за хемичаре: лабораторијска соникација малих запремина може открити опсеге процесних услова које је иначе тешко идентификовати само мешањем, загревањем или пасивним старењем.
У супрамолекулској хемији, соникатори са сондом, као што је UP50H, стога могу да се користе не само за припрему узорака, већ и као активна експериментална променљива. Променом температуре и трајања соникације, истраживачи могу да испитују кинетичке и термодинамичке режиме, спроводе скрининг путева агрегације и идентификују метастабилне или стабилне полиморфе.
 

Спектроскопска испитивања рацемске смеше (R,R)- и (S,S)-PBI. a Хемијске структуре (R,R)- и (S,S)-PBI и шематски приказ ултразвучно изазване супрамолекулске полимеризације рацемске смеше (R,R)- и (S,S)-PBI у конгломерате Con-Agg 1 и Con-Agg 2 и рацемски супрамолекулски полимер Rac-Agg 4.
Студија и шема: ©Wehner et al., 2020

Од лабораторијског открића до ултразвучне обраде са могућношћу повећања размера

Велика предност соникатора Hielscher је доступност ултразвучне опреме дуж читавог развојног ланца: од компактних лабораторијских уређаја до стоних система и индустријских ултразвучних процесора. Hielscher нуди ултразвучне уређаје и сонде за обраду течности од лабораторијске до производне размере, са применама које обухватају хемијску обраду, смањење величине честица, екстракцију, дисперговање и хомогенизацију.
Ово је важно јер многи обећавајући сонохемијски или супрамолекулски налази не успевају да изађу из оквира лабораторије када процес није могуће репродуковати у већој размери. Приступ компаније Hielscher развоју ултразвучних процеса заснива се на параметрима који се могу контролисати и конфигурацијама опреме које омогућавају повећање размере. Када се утврди ефикасан опсег услова ултразвучног процеса, процес се може пренети на веће ултразвучне системе уз одржавање одговарајућег уноса енергије и услова обраде.
За индустријске кориснике то значи да се соникација може разматрати не само као истраживачка метода већ и као процесна технологија.

Проточна соникација за континуалну хемијску обраду

Шаржна соникација је корисна за лабораторијско испитивање и оптимизацију при малим запреминама. Међутим, хемијска производња често захтева континуалан рад, поновљивост и дефинисана времена задржавања. Ултразвучни системи Hielscher подржавају проточну соникацију, при којој се течности пумпају кроз ултразвучну проточну ћелију или реактор и излажу кавитационом пољу под контролисаним условима.
Проточна соникација може се спроводити у режиму једног пролаза или у режиму рециркулације, што омогућава да течност једном или више пута прође кроз зону ултразвучне обраде. Hielscher наводи да су његови ултразвучни процесори доступни и за шаржну и за континуалну проточну обраду, од лабораторијских и стоних уређаја до пуне индустријске размере.

За супрамолекулску хемију и хемијско инжењерство, проточна соникација нуди неколико предности:

• контролисано време задржавања у кавитационој зони
• побољшана поновљивост у поређењу са неконтролисаним шаржним мешањем
• боље управљање топлотом помоћу проточних ћелија и спољашњег хлађења
• континуална обрада већих запремина
• лакша интеграција у постојеће хемијске производне линије
• могућност повећања интензитета обраде подешавањем протока, амплитуде и конфигурације реактора

У хемији која зависи од путање процеса, ови параметри могу бити пресудни. Ако супрамолекулски систем другачије реагује на кратку, интензивну соникацију него на продужену благу соникацију, проточна обрада пружа инжењерски оквир за дефинисање и репродуковање тог излагања.

Линеарно повећање размере: од сонохемијског испитивања до производње

Ултразвучна технологија Hielscher пројектована је за повећање размере од лабораторијског испитивања до индустријске обраде. За велике системе, параметри процеса као што су амплитуда, притисак и температура могу се оптимизовати у мањим поставкама, а затим пренети на опрему већег капацитета обраде. Hielscher описује ефикасност ултразвучног процеса као величину која се може линеарно скалирати након што се утврди оптимална конфигурација параметара.
Ова могућност линеарног повећања размере посебно је важна за хемичаре и процесне инжењере који раде са осетљивим супрамолекулским системима. Самоорганизовани материјали често зависе од уских опсега услова процеса. Промена интензитета мешања, времена задржавања, температурног профила или густине енергије може изменити морфологију производа. Ултразвучни системи који омогућавају повећање размере помажу у смањењу овог ризика очувањем дефинисаних услова соникације док процес прелази са милилитара на литре и, на крају, на протоке у производној размери.
Hielscher такође нуди индустријске проточне реакторе као што је MultiSonoReactor за проточну соникацију великог капацитета обраде. Ови системи су пројектовани за примене које обухватају хомогенизацију, мешање, дисперговање, екстракцију и сонохемијске реакције.

Научни и индустријски значај супрамолекулских полиморфа синтетисаних ултразвуком

Студија о супрамолекулском полиморфизму контролисаном ултразвуком значајна је јер показује како се ултразвучни ефекти у хемији могу користити за добијање различитих стања материјала из истог молекулског система. Уместо да мењају молекул, истраживачи су променили процесне услове. Управо то чини соникацију привлачном за индустријску хемију: она може побољшати резултате интензивирањем процеса уместо увођењем додатних корака синтезе.
У научним истраживањима ови налази доприносе дубљем разумевању хиралног самосклапања, кинетичког заробљавања, термодинамичке контроле и супрамолекулских енергетских пејзажа. У индустрији исти принципи могу подржати побољшано испитивање полиморфа, бржи развој функционалних материјала, бољу контролу морфологије агрегата и репродуктивнију обраду напредних хемијских система.

У практичном смислу, соникација може помоћи хемичарима и хемијским инжењерима да:

• убрзају трансформације током самосклапања
• подстакну иначе недоступне путеве агрегације
• побољшају репродуктивност у системима зависним од путање
• смање ослањање на дуга времена успостављања равнотеже
• испитају кинетичка и термодинамичка стања производа
• пренесу обећавајуће лабораторијске резултате у проточне процесе

Ултразвучна обрада као технологија која отвара нове могућности

Ултразвук велике снаге је технологија која отвара нове могућности у супрамолекулској хемији. Контролисано уношење акустичке енергије може утицати на молекулску организацију сложених система и омогућити добијање структура које се тешко добијају само конвенционалним мешањем или термичком обрадом.
Наведена студија показује вредност прецизне лабораторијске соникације помоћу уређаја Hielscher UP50H за фундаментална супрамолекулска истраживања. Уз веће стоне и индустријске соникаторе компаније Hielscher, иста технолошка платформа може се проширити на оптимизацију процеса, проточну обраду и линеарно повећање размере.
Хемичарима то отвара нове експерименталне путеве у самосклапању и контроли полиморфа. Хемијским инжењерима пружа скалабилан процесни алат за претварање ултразвучних ефеката у хемији у поуздане производне стратегије.

Табела испод даје оквирну представу о приближном капацитету обраде наших ултразвучних уређаја:

Пројектовање, производња и саветовање – квалитет произведен у Немачкој

Ултразвучни уређаји Hielscher познати су по највишим стандардима квалитета и пројектовања. Робусност и једноставно руковање омогућавају несметану интеграцију наших ултразвучних уређаја у индустријска постројења. Ултразвучни уређаји Hielscher лако подносе тешке услове и захтевна окружења.

Hielscher Ultrasonics је компанија са ISO сертификатом и посебан нагласак ставља на ултразвучне уређаје високих перформанси који се одликују најсавременијом технологијом и једноставношћу употребе. Наравно, ултразвучни уређаји Hielscher усаглашени су са CE захтевима и испуњавају захтеве UL, CSA и RoHs.

Литература / Референце

• 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.