Ultraljudsbehandling öppnar nya vägar inom supramolekylär kemi

Supramolekylär kemi bygger på svaga, reversibla växelverkan: vätebindningar, π–π-stapling, van der Waals-krafter, solvofoba effekter och kiral igenkänning. Dessa växelverkan gör det möjligt för molekyler att självorganisera sig till större strukturer såsom fibrer, stavar, geler, aggregat och supramolekylära polymerer. För kemister och kemitekniker består utmaningen inte bara i att bilda sådana strukturer, utan också i att styra vilken struktur som bildas, hur snabbt den bildas och om den förblir kinetiskt instängd eller når det termodynamiskt mest stabila tillståndet.

Ultraljudseffekter inom kemin: Ultraljudsbehandling styr supramolekylär självmontering

En vetenskaplig studie av Wehner m.fl. (2020), publicerad i Nature Communications, visar att ultraljud kan användas som en kraftfull yttre stimulans för att styra självorganiseringsprocesser inom supramolekylär kemi. Forskarna undersökte en racemisk blandning av kirala perylenbisimidmolekyler och visade att ultraljudsbehandling kunde styra bildandet av distinkta supramolekylära polymorfer. Beroende på ultraljudsförhållandena producerade systemet olika självorganiserade strukturer, inklusive kinetiskt styrda konglomerat och en termodynamiskt stabil racemisk supramolekylär polymer. I studien användes uttryckligen en Hielscher UP50H-ultraljudsprocessor för ultraljudsbehandlingen, som drevs vid 30 kHz, 50 W och 100 % amplitud.
Detta resultat är av stor betydelse för modern materialkemi, eftersom det visar att ultraljud inte enbart är ett verktyg för blandning eller dispersion. Under noggrant definierade förhållanden kan ultraljudsbehandling fungera som en processparameter för styrning av molekylära reaktionsvägar.

Varför ultraljudseffekter är viktiga inom kemin

Ultraljudseffekter inom kemin orsakas främst av akustisk kavitation. När ultraljud med hög intensitet tillförs en vätska genererar växlande tryckcykler mikroskopiska kavitationsbubblor. Deras tillväxt och kollaps ger upphov till lokala förhållanden med hög energi, intensiva mikroströmmar, starka skjuvningsgradienter och effektiv massöverföring. I kemiska processer och materialprocesser kan dessa effekter påverka kärnbildning, aggregering, partikelbildning, dispersion, kristallisation och självmontering.
Inom supramolekylär kemi är detta särskilt värdefullt eftersom många system är beroende av den väg de tar. Samma molekyl kan bilda olika polymorfer beroende på ordningen och intensiteten hos den tillförda energin, temperaturen, koncentrationen, lösningsmedlets sammansättning och tiden. Ultraljudsbehandling erbjuder ett kontrollerat sätt att tillföra mekanisk energi till systemet utan att bygstenens molekylstruktur förändras.
För kemitekniker är detta en avgörande fördel: ultraljudet kan parametriseras. Amplitud, effekt, sonotrodens och reaktorns geometri, temperatur, uppehållstid, tryck och flödeshastighet kan justeras, övervakas och överföras från genomförbarhetstester till större processvolymer.

Ultraljudsbehandling som verktyg för styrning av självmontering

I studien undersöktes självaggregeringen hos en racemisk blandning av två enantiomera perylenbisimidmolekyler. Utan rätt yttre stimulans kan sådana system följa en föredragen aggregeringsväg eller fastna i metastabila tillstånd. Genom att tillämpa kontrollerad ultraljudsbehandling kunde forskarna uppnå olika supramolekylära resultat.
Det viktigaste resultatet är enkelt men talande: ultraljudsbehandlingen förändrade självorganiseringsprocessen. Vid specifika temperaturer och koncentrationer främjade kraftfullt ultraljud omvandlingen från ett aggregattillstånd till ett annat. Under kinetiska ultraljudsförhållanden bildade systemet ett supramolekylärt konglomerat. Under termodynamiska ultraljudsförhållanden bildade det en racemisk supramolekylär polymer med en annan morfologi och högre stabilitet.
Den vetenskapliga betydelsen ligger i möjligheten att påverka om det är homokiral eller heterokiral aggregering som dominerar. Den industriella betydelsen ligger i det bredare perspektivet: ultraljudsbehandling kan bidra till att styra molekylär organisation, inte bara påskynda bearbetningen.

Detta gäller för:

• supramolekylära polymerer och funktionella organiska material
• Forskning om kiral aggregering och upplösning av racemater
• kristallisation och screening av polymorfer
• bildning av nanofibrer, nanostavar och färgämnesaggregat
• utveckling av formuleringar och avancerad materialbearbetning
• uppskalning av ultraljudsassisterade kemiska processer

Hielscher-ultraljudsapparaters roll inom supramolekylär kemi

För det experimentella arbetet utfördes ultraljudsbehandlingen med Hielscher UP50H, en kompakt ultraljudsprocessor för laboratoriebruk. UP50H är en sondbaserad ultraljudsprocessor på 50 W och 30 kHz, utformad för små laboratorieprover och används i kemiska, biologiska, medicinska och analytiska laboratorier. Hielscher beskriver UP50H som lämplig för både handhållen och stativmonterad användning samt för uppgifter som att dispergera, lösa upp, emulgera och homogenisera små provvolymer.
I denna studie tillförde UP50H den ultraljudsenergi som krävdes för att sätta igång och styra omvandlingen av supramolekylära aggregat. Detta belyser en viktig praktisk aspekt för kemister: ultraljudsbehandling i laboratorieformat med små volymer kan avslöja processfönster som annars är svåra att identifiera enbart genom omrörning, uppvärmning eller passiv åldring.
Inom supramolekylär kemi kan därför ultraljudsapparater av sondtyp, såsom UP50H, användas inte bara för provberedning utan även som en aktiv experimentell variabel. Genom att variera ultraljudsbehandlingens temperatur och varaktighet kan forskare undersöka kinetiska och termodynamiska förhållanden, kartlägga aggregeringsvägar och identifiera metastabila eller stabila polymorfer.
 

Spektroskopiska undersökningar av den racemiska blandningen av (R,R)- och (S,S)-PBI. a Kemiska strukturer för (R,R)- och (S,S)-PBI samt schematisk beskrivning av den ultraljudsinducerade supramolekylära polymerisationen av den racemiska blandningen av (R,R)- och (S,S)-PBI till konglomeraten Con-Agg 1 och Con-Agg 2 samt den racemiska supramolekylära polymeren Rac-Agg 4.
Studie och schema: ©Wehner m.fl., 2020

Från laboratorieupptäckt till skalbar ultraljudsbehandling

En stor fördel med Hielschers ultraljudsenheter är att ultraljudsutrustning finns tillgänglig längs hela utvecklingskedjan: från kompakta laboratorieenheter till bänksystem och industriella ultraljudsprocessorer. Hielscher erbjuder ultraljudsenheter och sonder för vätskebehandling från laboratorieskala till produktionsskala, med tillämpningar som omfattar kemisk bearbetning, partikelstorleksreduktion, extraktion, dispergering och homogenisering.
Detta är viktigt eftersom många lovande sonokemiska eller supramolekylära upptäckter inte kommer längre än till laboratoriet när processen inte går att reproducera i större skala. Hielschers strategi för utveckling av ultraljudsprocesser bygger på kontrollerbara parametrar och skalbara utrustningskonfigurationer. När ett effektivt processfönster för ultraljud har identifierats kan processen överföras till större ultraljudssystem genom att man bibehåller den relevanta energitillförseln och processförhållandena.
För industriella användare innebär detta att ultraljudsbehandling inte bara kan betraktas som en forskningsmetod utan även som en processteknik.

Inline-ultraljudsbehandling för kontinuerlig kemisk bearbetning

Ultraljudsbehandling i satsvis drift är användbar för laboratoriescreening och optimering av små volymer. Kemisk produktion kräver dock ofta kontinuerlig drift, reproducerbarhet och definierade uppehållstider. Hielschers ultraljudssystem stödjer ultraljudsbehandling i linje, där vätskor pumpas genom en ultraljudsflödesceller eller reaktor och utsätts för kavitationsfältet under kontrollerade förhållanden.
Inline-ultraljudsbehandling kan utföras i enkelgenomströmningsläge eller i återcirkulationsläge, vilket innebär att vätskan kan passera en eller flera gånger genom ultraljudsbehandlingszonen. Hielscher uppger att företagets ultraljudsprocessorer finns tillgängliga för både satsvis och kontinuerlig inline-bearbetning, från laboratorie- och bänkenheter till full industriell skala.

Inom supramolekylär kemi och kemiteknik erbjuder ultraljudsbehandling i processen flera fördelar:

• reglerad uppehållstid i kavitationszonen
• förbättrad reproducerbarhet jämfört med okontrollerad omrörning av satsen
• bättre värmehantering genom flödesceller och extern kylning
• kontinuerlig bearbetning för större volymer
• enklare integration i befintliga kemiska produktionslinjer
• skalbar behandlingsintensitet genom justering av flödeshastighet, amplitud och reaktorkonfiguration

Inom reaktionsvägsberoende kemi kan dessa parametrar vara avgörande. Om ett supramolekylärt system reagerar annorlunda på kortvarig, intensiv ultraljudsbehandling än på långvarig, mild ultraljudsbehandling, erbjuder inline-bearbetning den tekniska ramen för att definiera och reproducera denna exponering.

Linjär uppskalning: Från sonokemisk screening till produktion

Hielschers ultraljudsteknik är utformad för uppskalning från laboratorietester till industriell bearbetning. För stora system kan processparametrar som amplitud, tryck och temperatur optimeras i mindre uppställningar och sedan överföras till utrustning med högre genomströmning. Hielscher beskriver effektiviteten i ultraljudsprocessen som linjärt skalbar efter att den optimala parameterkonfigurationen har fastställts.
Denna linjära skalbarhet är särskilt viktig för kemister och processingenjörer som arbetar med känsliga supramolekylära system. Självorganiserade material är ofta beroende av snäva processfönster. En förändring av blandningsintensiteten, uppehållstiden, temperaturprofilen eller energitätheten kan förändra produktens morfologi. Skalbara ultraljudssystem bidrar till att minska denna risk genom att bibehålla definierade ultraljudsbehandlingsförhållanden när processen går från milliliter till liter och slutligen till flöden i produktionsskala.
Hielscher erbjuder även industriella inline-reaktorer, såsom MultiSonoReactor, för inline-ultraljudsbehandling med hög genomströmning. Dessa system är utformade för tillämpningar som bland annat homogenisering, blandning, dispersion, extraktion och sonokemiska reaktioner.

Vetenskaplig och industriell betydelse av supramolekylära polymorfer framställda med ultraljud

Studien om ultraljudsstyrd supramolekylär polymorfism är betydelsefull eftersom den visar hur ultraljudseffekter inom kemin kan utnyttjas för att uppnå olika materialtillstånd från samma molekylära system. Istället för att förändra molekylen ändrade forskarna processförhållandena. Det är just här som ultraljudsbehandling blir intressant för den industriella kemin: den kan förbättra resultaten genom processintensifiering snarare än genom ytterligare syntetiska steg.
Inom den vetenskapliga forskningen bidrar resultaten till en djupare förståelse av kiral självorganisation, kinetisk infångning, termodynamisk styrning och supramolekylära energilandskap. För industrin kan samma principer ligga till grund för förbättrad screening av polymorfer, snabbare utveckling av funktionella material, bättre kontroll över aggregatens morfologi och mer reproducerbar bearbetning av avancerade kemiska system.

I praktiken kan ultraljudsbehandling vara till hjälp för kemister och kemitekniker:

• påskynda omvandlingar genom självmontering
• främja annars otillgängliga aggregeringsvägar
• förbättra reproducerbarheten i signalvägsberoende system
• minska beroendet av långa jämviktstider
• visar produktens kinetiska och termodynamiska tillstånd
• överföra lovande laboratorieresultat till produktionsprocesser

Ultraljudsbehandling som en grundläggande teknik

Kraftfullt ultraljud är en grundläggande teknik för supramolekylär kemi. Genom kontrollerad tillförsel av akustisk energi kan man påverka den molekylära organisationen i komplexa system och skapa tillgång till strukturer som är svåra att uppnå enbart genom konventionell omrörning eller värmebehandling.
Med Hielscher UP50H visar den citerade studien värdet av precis ultraljudsbehandling i laboratoriet för grundläggande supramolekylär forskning. Med Hielschers större bänkmodeller och industriella ultraljudsenheter kan samma teknikplattform utvidgas till processoptimering, inline-behandling och linjär uppskalning.
För kemister öppnar detta upp nya experimentella vägar inom självorganisering och kontroll av polymorfer. För kemitekniker utgör det ett skalbart processverktyg för att omsätta ultraljudseffekter inom kemin till tillförlitliga produktionsstrategier.

Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater:

Design, tillverkning och rådgivning – Kvalitet tillverkad i Tyskland

Hielscher ultraljudsapparater är välkända för sina högsta kvalitets- och designstandarder. Robusthet och enkel drift möjliggör en smidig integration av våra ultraljudsapparater i industriella anläggningar. Tuffa förhållanden och krävande miljöer hanteras enkelt av Hielscher ultraljudsapparater.

Hielscher Ultrasonics är ett ISO-certifierat företag och lägger särskild vikt vid högpresterande ultraljudsapparater med den senaste tekniken och användarvänligheten. Naturligtvis är Hielscher ultraljudsapparater CE-kompatibla och uppfyller kraven i UL, CSA och RoHs.

Litteratur / Referenser