Sonikasyon, Supramoleküler Kimyada Yeni Yollar Açıyor

Supramoleküler kimya, zayıf ve tersinir etkileşimlere dayanır: hidrojen bağları, π–π istiflenmesi, van der Waals kuvvetleri, solvofobik etkiler ve kiral tanıma. Bu etkileşimler, moleküllerin lifler, çubuklar, jeller, agregatlar ve supramoleküler polimerler gibi daha büyük mimariler oluşturacak şekilde kendiliğinden düzenlenmesine olanak tanır. Kimyagerler ve kimya mühendisleri için zorluk, yalnızca bu tür yapıları oluşturmak değil, hangi yapının oluşacağını, ne kadar hızlı oluşacağını ve kinetik olarak hapsolmuş durumda mı kalacağını yoksa termodinamik açıdan en kararlı duruma mı ulaşacağını kontrol etmektir.

Kimyada Ultrasonik Etkiler: Sonikasyon, Supramoleküler Kendiliğinden Birleşmeyi Kontrol Eder

Wehner et al. (2020) tarafından yürütülen ve Nature Communications dergisinde yayımlanan bilimsel bir çalışma, supramoleküler kimyada kendiliğinden birleşme yollarını kontrol etmek için sonikasyonun güçlü bir dış uyaran olarak kullanılabileceğini göstermektedir. Araştırmacılar, kiral perilen bisimid moleküllerinin rasemik bir karışımını incelemiş ve sonikasyonun farklı supramoleküler polimorfların oluşumunu yönlendirebildiğini göstermiştir. Ultrasonik koşullara bağlı olarak sistem, kinetik olarak kontrol edilen konglomeratlar ve termodinamik açıdan kararlı bir rasemik supramoleküler polimer dahil olmak üzere farklı kendiliğinden birleşmiş yapılar üretmiştir. Çalışmada sonikasyon için açıkça 30 kHz, 50 W ve %100 genlikte çalıştırılan bir Hielscher UP50H ultrasonik işlemcisi kullanılmıştır.
Bu sonuç, ultrasonun yalnızca bir karıştırma veya dispersiyon aracı olmadığını gösterdiği için modern malzeme kimyası açısından son derece önemlidir. İyi tanımlanmış koşullar altında sonikasyon, moleküler yolların kontrolü için bir proses parametresi işlevi görebilir.

Ultrasonik Etkiler Kimyada Neden Önemlidir?

Kimyadaki ultrasonik etkiler esas olarak akustik kavitasyondan kaynaklanır. Bir sıvıya yüksek yoğunluklu ultrason uygulandığında, değişken basınç döngüleri mikroskobik kavitasyon kabarcıkları oluşturur. Bu kabarcıkların büyümesi ve çökmesi, yerel yüksek enerjili koşullar, yoğun mikro akımlar, güçlü kesme gradyanları ve verimli kütle aktarımı meydana getirir. Kimyasal proseslerde ve malzeme proseslerinde bu etkiler; çekirdeklenmeyi, agregasyonu, parçacık oluşumunu, dispersiyonu, kristalleşmeyi ve kendiliğinden birleşmeyi etkileyebilir.
Supramoleküler kimyada bu özellikle değerlidir, çünkü birçok sistem izlenen yola bağımlıdır. Aynı molekül; enerji girdisinin sırasına ve yoğunluğuna, sıcaklığa, konsantrasyona, çözücü bileşimine ve zamana bağlı olarak farklı polimorflar oluşturacak şekilde birleşebilir. Sonikasyon, yapı taşının moleküler yapısını değiştirmeden sisteme mekanik enerji vermenin kontrol edilebilir bir yolunu sunar.
Kimya mühendisleri için bu belirleyici bir avantajdır: ultrason parametrelerle tanımlanabilir. Genlik, güç, sonotrot ve reaktör geometrisi, sıcaklık, kalış süresi, basınç ve debi ayarlanabilir, izlenebilir ve fizibilite testlerinden daha büyük işleme hacimlerine aktarılabilir.

Kendiliğinden Birleşmenin Kontrolü İçin Bir Araç Olarak Sonikasyon

Çalışmada, iki enantiyomerik perilen bisimid molekülünün rasemik bir karışımının kendiliğinden birleşmesi incelenmiştir. Doğru dış uyaranın yokluğunda bu tür sistemler, tercih edilen bir agregasyon yolunu izleyebilir veya metastabil durumlarda hapsolabilir. Araştırmacılar, kontrollü sonikasyon uygulayarak farklı supramoleküler sonuçlara ulaşabilmiştir.
Temel bulgu basit ama güçlüdür: sonikasyon, kendiliğinden birleşme yolunu değiştirmiştir. Belirli sıcaklık ve konsantrasyonlarda güç ultrasonu, bir agregat durumundan diğerine dönüşümü desteklemiştir. Kinetik sonikasyon koşullarında sistem, supramoleküler bir konglomerat oluşturmuştur. Termodinamik sonikasyon koşullarında ise farklı bir morfolojiye ve daha yüksek kararlılığa sahip rasemik bir supramoleküler polimer oluşturmuştur.
Bilimsel etki, homokiral veya heterokiral agregasyondan hangisinin baskın olacağını etkileyebilme olanağında yatmaktadır. Endüstriyel etki ise daha geniş bir kavramda yatmaktadır: sonikasyon, yalnızca işlemeyi hızlandırmakla kalmayıp moleküler düzenlenmeyi yönlendirmeye de yardımcı olabilir.

Bu, aşağıdakiler için önemlidir:

• supramoleküler polimerler ve işlevsel organik malzemeler
• kiral agregasyon ve rasemat ayırma araştırmaları
• kristalleşme ve polimorf taraması
• nanolif, nanoçubuk ve boya agregatı oluşumu
• formülasyon geliştirme ve ileri malzemelerin işlenmesi
• ultrason destekli kimyasal proseslerin ölçek büyütmesi

Supramoleküler Kimyada Hielscher Sonikatörlerinin Rolü

Deneysel çalışmada sonikasyon, kompakt bir laboratuvar ultrasonik işlemcisi olan Hielscher UP50H ile gerçekleştirilmiştir. UP50H sonikatörü, küçük laboratuvar numuneleri için tasarlanmış 50 W, 30 kHz prob tipi bir sonikatördür ve kimya, biyoloji, tıp ve analiz laboratuvarlarında kullanılır. Hielscher, UP50H sonikatörünü elde tutularak veya standa monte edilerek çalıştırılmaya ve küçük numune hacimlerinin disperse edilmesi, çözündürülmesi, emülsifiye edilmesi ve homojenleştirilmesi gibi işlemlere uygun olarak tanımlamaktadır.
Bu çalışmada UP50H sonikatörü, supramoleküler agregatların dönüşümünü tetiklemek ve yönlendirmek için gereken ultrasonik enerjiyi sağlamıştır. Bu, kimyagerler için önemli bir pratik noktayı ortaya koymaktadır: küçük hacimli laboratuvar sonikasyonu, yalnızca karıştırma, ısıtma veya pasif yaşlandırma ile belirlenmesi zor olan proses pencerelerini açığa çıkarabilir.
Bu nedenle supramoleküler kimyada UP50H gibi prob tipi sonikatörler, yalnızca numune hazırlama için değil, etkin bir deneysel değişken olarak da kullanılabilir. Araştırmacılar, sonikasyon sıcaklığını ve süresini değiştirerek kinetik ve termodinamik rejimleri inceleyebilir, agregasyon yollarını tarayabilir ve metastabil veya kararlı polimorfları belirleyebilir.
 

(R,R)- ve (S,S)-PBI rasemik karışımının spektroskopik incelemeleri. a (R,R)- ve (S,S)-PBI moleküllerinin kimyasal yapıları ve (R,R)- ve (S,S)-PBI rasemik karışımının ultrasonla indüklenen supramoleküler polimerizasyon yoluyla Con-Agg 1 ve Con-Agg 2 konglomeratlarına ve Rac-Agg 4 rasemik supramoleküler polimerine dönüşümünün şematik gösterimi.
Çalışma ve şema: ©Wehner et al., 2020

Laboratuvar Keşfinden Ölçeklenebilir Ultrasonik İşlemeye

Hielscher sonikatörlerinin önemli bir avantajı, kompakt laboratuvar cihazlarından tezgâh üstü sistemlere ve endüstriyel ultrasonik işlemcilere kadar tüm geliştirme zinciri boyunca ultrasonik ekipmanın mevcut olmasıdır. Hielscher, kimyasal işleme, parçacık boyutu küçültme, ekstraksiyon, dispersiyon ve homojenleştirme dahil olmak üzere çeşitli uygulamalarla, laboratuvar ölçeğinden üretim ölçeğine kadar sıvı işleme için sonikatörler ve problar sunar.
Bu önemlidir, çünkü proses daha büyük ölçekte tekrarlanamadığında umut verici birçok sonokimyasal veya supramoleküler bulgu laboratuvarın ötesine geçemez. Hielscher’in ultrasonik proses geliştirme yaklaşımı, kontrol edilebilir parametrelere ve ölçeklenebilir ekipman yapılandırmalarına dayanır. Etkili bir ultrasonik proses penceresi belirlendikten sonra proses, ilgili enerji girdisi ve işleme koşulları korunarak daha büyük ultrasonik sistemlere aktarılabilir.
Endüstriyel kullanıcılar için bu, sonikasyonun yalnızca bir araştırma yöntemi olarak değil, bir proses teknolojisi olarak da değerlendirilebileceği anlamına gelir.

Sürekli Kimyasal İşleme İçin Hat İçi Sonikasyon

Kesikli sonikasyon, laboratuvar taramaları ve küçük hacimli optimizasyon için yararlıdır. Ancak kimyasal üretim çoğu zaman sürekli çalışma, tekrarlanabilirlik ve tanımlanmış kalış süreleri gerektirir. Hielscher ultrasonik sistemleri, sıvıların bir ultrasonik akış hücresi veya reaktörden pompalanarak kontrollü koşullarda kavitasyon alanına maruz bırakıldığı hat içi sonikasyonu destekler.
Hat içi sonikasyon, tek geçişli modda veya resirkülasyon modunda çalıştırılarak sıvının ultrasonik işlem bölgesinden bir veya birden fazla kez geçmesine olanak tanır. Hielscher, ultrasonik işlemcilerinin laboratuvar ve tezgâh üstü ünitelerden tam endüstriyel ölçeğe kadar hem kesikli hem de sürekli hat içi işleme için mevcut olduğunu belirtmektedir.

Supramoleküler kimya ve kimya mühendisliği için hat içi sonikasyon çeşitli avantajlar sunar:

• kavitasyon bölgesinde kontrollü kalış süresi
• kontrolsüz kesikli karıştırmaya kıyasla daha iyi tekrarlanabilirlik
• akış hücreleri ve harici soğutma sayesinde daha iyi ısı yönetimi
• daha büyük hacimler için sürekli işleme
• mevcut kimyasal üretim hatlarına daha kolay entegrasyon
• debi, genlik ve reaktör yapılandırması ayarlanarak ölçeklenebilir işlem yoğunluğu

İzlenen yola bağımlı kimyada bu parametreler kritik olabilir. Bir supramoleküler sistem, kısa ve yoğun sonikasyona uzun süreli hafif sonikasyondan farklı tepki veriyorsa hat içi işleme, bu maruziyeti tanımlamak ve tekrarlamak için mühendislik çerçevesini sağlar.

Doğrusal Ölçek Büyütme: Sonokimyasal Taramadan Üretime

Hielscher ultrasonik teknolojisi, laboratuvar testlerinden endüstriyel işlemeye ölçek büyütme için tasarlanmıştır. Büyük sistemler için genlik, basınç ve sıcaklık gibi proses parametreleri daha küçük düzeneklerde optimize edilebilir ve ardından daha yüksek işleme kapasitesine sahip ekipmana aktarılabilir. Hielscher, optimum parametre yapılandırması belirlendikten sonra ultrasonik proses verimliliğini doğrusal olarak ölçeklenebilir şeklinde tanımlamaktadır.
Bu doğrusal ölçek büyütme olanağı, hassas supramoleküler sistemlerle çalışan kimyagerler ve proses mühendisleri için özellikle önemlidir. Kendiliğinden birleşmiş malzemeler çoğu zaman dar proses pencerelerine bağlıdır. Karıştırma yoğunluğunda, kalış süresinde, sıcaklık profilinde veya enerji yoğunluğunda bir değişiklik, ürün morfolojisini değiştirebilir. Ölçeklenebilir ultrasonik sistemler, proses mililitrelerden litrelere ve nihayetinde üretim ölçeğindeki debilere geçerken tanımlanmış sonikasyon koşullarını koruyarak bu riskin azaltılmasına yardımcı olur.
Hielscher ayrıca yüksek işleme kapasiteli hat içi sonikasyon için MultiSonoReactor gibi endüstriyel hat içi reaktörler de sunar. Bu sistemler, homojenleştirme, karıştırma, dispersiyon, ekstraksiyon ve sonokimyasal reaksiyonlar dahil olmak üzere çeşitli uygulamalar için tasarlanmıştır.

Ultrasonik Olarak Sentezlenen Supramoleküler Polimorfların Bilimsel ve Endüstriyel Önemi

Ultrasonla kontrol edilen supramoleküler polimorfizm üzerine yapılan çalışma, aynı moleküler sistemden farklı malzeme durumlarına ulaşmak için kimyadaki ultrasonik etkilerin nasıl kullanılabileceğini gösterdiği için önemlidir. Araştırmacılar, molekülü değiştirmek yerine proses koşullarını değiştirmiştir. Sonikasyonun endüstriyel kimya için cazip hâle geldiği nokta tam da budur: ek sentez adımları yerine proses yoğunlaştırma yoluyla sonuçları iyileştirebilir.
Bilimsel araştırmalar açısından bu bulgular; kiral kendiliğinden birleşme, kinetik hapsolma, termodinamik kontrol ve supramoleküler enerji manzaralarının daha derinlemesine anlaşılmasına katkıda bulunur. Endüstri açısından aynı ilkeler, polimorfların daha iyi taranmasını, işlevsel malzemelerin daha hızlı geliştirilmesini, agregat morfolojisinin daha iyi kontrol edilmesini ve ileri kimyasal sistemlerin daha tekrarlanabilir biçimde işlenmesini destekleyebilir.

Pratik açıdan sonikasyon, kimyagerlere ve kimya mühendislerine şu konularda yardımcı olabilir:

• kendiliğinden birleşme dönüşümlerini hızlandırma
• başka türlü erişilemeyen agregasyon yollarını destekleme
• izlenen yola bağımlı sistemlerde tekrarlanabilirliği iyileştirme
• uzun dengeye ulaşma sürelerine bağımlılığı azaltma
• kinetik ve termodinamik ürün durumlarını tarama
• umut verici laboratuvar sonuçlarını hat içi proseslere aktarma

Olanak Sağlayan Bir Teknoloji Olarak Ultrasonik İşleme

Güç ultrasonu, supramoleküler kimya için olanak sağlayan bir teknolojidir. Akustik enerjinin kontrollü olarak verilmesi, karmaşık sistemlerin moleküler düzenlenmesini etkileyebilir ve yalnızca geleneksel karıştırma veya ısıl işlemle elde edilmesi zor olan yapılara erişim sağlayabilir.
Atıfta bulunulan çalışma, Hielscher UP50H sonikatörü ile hassas laboratuvar sonikasyonunun temel supramoleküler araştırmalar için değerini göstermektedir. Hielscher’in daha büyük tezgâh üstü ve endüstriyel sonikatörleriyle aynı teknoloji platformu; proses optimizasyonuna, hat içi işleme ve doğrusal ölçek büyütmeye doğru genişletilebilir.
Kimyagerler için bu, kendiliğinden birleşme ve polimorf kontrolünde yeni deneysel yollar açar. Kimya mühendisleri için ise kimyadaki ultrasonik etkileri güvenilir üretim stratejilerine dönüştürmek için ölçeklenebilir bir proses aracı sağlar.

Aşağıdaki tablo, sonikatörlerimizin yaklaşık işleme kapasitesi hakkında fikir vermektedir:

Tasarım, Üretim ve Danışmanlık – Almanya’da Üretilen Kalite

Hielscher sonikatörleri, en yüksek kalite ve tasarım standartlarıyla tanınır. Sağlamlık ve kolay kullanım, sonikatörlerimizin endüstriyel tesislere sorunsuz entegrasyonuna olanak tanır. Hielscher sonikatörleri, zorlu koşulların ve yüksek gereksinimli ortamların üstesinden kolayca gelir.

Hielscher Ultrasonics, ISO sertifikalı bir şirkettir ve en son teknolojiye ve kullanıcı dostu özelliklere sahip yüksek performanslı sonikatörlere özel önem verir. Elbette Hielscher sonikatörleri CE’ye uygundur ve UL, CSA ve RoHs gerekliliklerini karşılar.

Literatür / Kaynaklar

• 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.