Ультразвукова обробка відкриває нові перспективи в супрамолекулярній хімії

Супрамолекулярна хімія ґрунтується на слабких, оборотних взаємодіях: водневих зв’язках, π–π-взаємодіях, силах Ван-дер-Ваальса, сольвофобних ефектах та хіральному розпізнаванні. Ці взаємодії дають змогу молекулам самоорганізовуватися у більші структури, такі як волокна, стрижні, гелі, агрегати та супрамолекулярні полімери. Для хіміків та інженерів-хіміків завдання полягає не лише у створенні таких структур, а й у контролі того, яка саме структура утворюється, як швидко вона утворюється та чи залишається вона кінетично заблокованою, чи досягає термодинамічно найстабільнішого стану.

Ультразвукові ефекти в хімії: ультразвукова обробка регулює супрамолекулярне самоорганізування

Наукове дослідження, проведене Вехнером та ін. (2020) та опубліковане в журналі «Nature Communications», демонструє, що ультразвукова обробка може використовуватися як потужний зовнішній стимул для керування процесами самоорганізації в супрамолекулярній хімії. Дослідники вивчили рацемічну суміш хіральних молекул периленбісиміду та показали, що ультразвукова обробка може керувати утворенням різних надмолекулярних поліморфів. Залежно від умов ультразвукової обробки система утворювала різні самоорганізовані структури, включаючи кінетично контрольовані конгломерати та термодинамічно стабільний рацемічний надмолекулярний полімер. У дослідженні для ультразвукової обробки було використано ультразвуковий процесор Hielscher UP50H, що працював на частоті 30 кГц, потужності 50 Вт та з амплітудою 100 %.
Цей результат має велике значення для сучасної хімії матеріалів, оскільки він демонструє, що ультразвук — це не просто засіб для перемішування чи диспергування. За чітко визначених умов ультразвукова обробка може виступати як технологічний параметр для регулювання молекулярних процесів.

Чому ультразвукові ефекти мають значення в хімії

Ультразвукові ефекти в хімії зумовлені переважно акустичною кавітацією. Коли ультразвук високої інтенсивності подається в рідину, цикли змінного тиску утворюють мікроскопічні кавітаційні бульбашки. Їхнє зростання та руйнування створюють локальні умови високої енергії, інтенсивні мікропотоки, сильні градієнти зсуву та ефективний масообмін. У хімічних та матеріалознавчих процесах ці ефекти можуть впливати на зародження, агрегацію, утворення частинок, дисперсію, кристалізацію та самоорганізацію.
У супрамолекулярній хімії це має особливе значення, оскільки багато систем залежать від конкретного шляху перебігу реакції. Одна й та сама молекула може утворювати різні поліморфи залежно від послідовності та інтенсивності подачі енергії, температури, концентрації, складу розчинника та часу. Ультразвукова обробка дає змогу контрольовано вводити механічну енергію в систему, не змінюючи молекулярну структуру будівельного блоку.
Для інженерів-хіміків це є вирішальною перевагою: ультразвук можна налаштовувати за параметрами. Амплітуду, потужність, геометрію сонотрода та реактора, температуру, час перебування, тиск і швидкість потоку можна регулювати, контролювати та застосовувати, переносячи результати випробувань на практику для обробки більших обсягів.

Ультразвукова обробка як засіб контролю самоорганізації

У ході дослідження було вивчено самоорганізацію рацемічної суміші двох енантіомерних молекул периленбісиміду. За відсутності відповідного зовнішнього стимулу такі системи можуть пройти переважний шлях агрегації або застрягнути в метастабільних станах. Застосувавши контрольоване ультразвукове опромінення, дослідники змогли отримати різні супрамолекулярні результати.
Головний висновок є простим, але вагомим: ультразвукова обробка змінила шлях самоорганізації. При певних температурах і концентраціях потужний ультразвук сприяв переходу з одного агрегатного стану в інший. В умовах кінетичної ультразвукової обробки система утворювала надмолекулярний конгломерат. В умовах термодинамічної ультразвукової обробки вона утворювала рацемічний надмолекулярний полімер з іншою морфологією та вищою стабільністю.
Наукова цінність полягає в можливості впливати на те, чи переважатиме гомохіральна, чи гетерохіральна агрегація. Промислова цінність полягає в більш широкій концепції: ультразвукова обробка може допомогти керувати молекулярною організацією, а не лише прискорювати технологічний процес.

Це стосується:

• супрамолекулярні полімери та функціональні органічні матеріали
• дослідження хіральної агрегації та розділення рацематів
• кристалізація та скринінг поліморфів
• утворення нановолокон, нанострижнів та агрегатів барвника
• розробка рецептур та передові технології обробки матеріалів
• масштабування хімічних процесів з використанням ультразвуку

Роль ультразвукових апаратів Hielscher у супрамолекулярній хімії

Для проведення експериментальних робіт ультразвукову обробку здійснювали за допомогою Hielscher UP50H — компактного лабораторного ультразвукового процесора. UP50H — це зондовий ультразвуковий процесор потужністю 50 Вт і частотою 30 кГц, призначений для обробки невеликих лабораторних зразків, який використовується в хімічних, біологічних, медичних та аналітичних лабораторіях. Компанія Hielscher описує UP50H як прилад, придатний для ручного або настільного використання, а також для таких завдань, як диспергування, розчинення, емульгування та гомогенізація невеликих об’ємів зразків.
У цьому дослідженні прилад UP50H забезпечував ультразвукову енергію, необхідну для запуску та регулювання перетворення супрамолекулярних агрегатів. Це ілюструє важливий практичний аспект для хіміків: лабораторна ультразвукова обробка невеликих об’ємів дозволяє виявити технологічні вікна, які інакше важко визначити лише за допомогою перемішування, нагрівання або пасивного витримки.
Отже, у надмолекулярній хімії ультразвукові апарати з зондовим типом, такі як UP50H, можуть використовуватися не лише для підготовки зразків, а й як активна експериментальна змінна. Змінюючи температуру та тривалість ультразвукової обробки, дослідники можуть вивчати кінетичні та термодинамічні режими, проводити скринінг шляхів агрегації та ідентифікувати метастабільні або стабільні поліморфи.
 

Спектроскопічні дослідження рацемічної суміші (R,R)- та (S,S)-PBI. а. Хімічні структури (R,R)- та (S,S)-PBI та схематичне зображення індукованої ультразвуком супрамолекулярної полімеризації рацемічної суміші (R,R)- та (S,S)-ПБІ з утворенням конгломератів Con-Agg 1 та Con-Agg 2 і рацемічного надмолекулярного полімеру Rac-Agg 4.
Дослідження та схема: ©Wehner et al., 2020

Від лабораторного відкриття до масштабованої ультразвукової обробки

Головною перевагою ультразвукових апаратів Hielscher є наявність ультразвукового обладнання для всього ланцюга розробки: від компактних лабораторних приладів до настільних систем та промислових ультразвукових процесорів. Компанія Hielscher пропонує ультразвукові апарати та зонди для обробки рідин — від лабораторного до промислового масштабу — для таких застосувань, як хімічна обробка, подрібнення частинок, екстракція, диспергування та гомогенізація.
Це має важливе значення, оскільки багато перспективних результатів у галузі сонохімії чи супрамолекулярної хімії не виходять за межі лабораторії, коли процес неможливо відтворити у більшому масштабі. Підхід компанії Hielscher до розробки ультразвукових процесів ґрунтується на контрольованих параметрах та масштабованих конфігураціях обладнання. Після визначення ефективного діапазону параметрів ультразвукового процесу його можна перенести на більші ультразвукові системи, зберігаючи відповідні умови подачі енергії та обробки.
Для промислових користувачів це означає, що ультразвукову обробку можна розглядати не лише як дослідницький метод, а й як технологічний процес.

Вбудована ультразвукова обробка для безперервного хімічного виробництва

Партійна обробка ультразвуком є корисною для лабораторного скринінгу та оптимізації невеликих обсягів. Однак виробництво хімічних речовин часто вимагає безперервного режиму роботи, відтворюваності та чітко визначеного часу перебування. Ультразвукові системи компанії Hielscher забезпечують можливість потокової обробки ультразвуком, під час якої рідини прокачуються через ультразвукову проточну комірку або реактор і піддаються дії кавітаційного поля в контрольованих умовах.
Потокова ультразвукова обробка може здійснюватися в однопрохідному режимі або в режимі рециркуляції, що дозволяє рідині проходить через зону ультразвукової обробки один або кілька разів. Компанія Hielscher зазначає, що її ультразвукові процесори призначені як для періодичної, так і для безперервної потокової обробки — від лабораторних і настільних установок до установок повного промислового масштабу.

У галузі супрамолекулярної хімії та хімічної інженерії вбудована ультразвукова обробка має низку переваг:

• регульований час перебування в зоні кавітації
• підвищена відтворюваність порівняно з неконтрольованим перемішуванням партії
• краще регулювання температури за допомогою проточних комірок та зовнішнього охолодження
• безперервна обробка великих обсягів
• простіша інтеграція в існуючі хімічні виробничі лінії
• можливість регулювання інтенсивності обробки шляхом налаштування витрати, амплітуди та конфігурації реактора

У хімії, що залежить від реакційних шляхів, ці параметри можуть мати вирішальне значення. Якщо надмолекулярна система по-різному реагує на короткочасне інтенсивне ультразвукове опромінення та на тривале помірне ультразвукове опромінення, то поточкова обробка забезпечує інженерну основу для визначення та відтворення такого впливу.

Лінійне масштабування: від ультразвукового скринінгу до виробництва

Ультразвукова технологія компанії Hielscher призначена для масштабування від лабораторних випробувань до промислового виробництва. У випадку великих систем такі технологічні параметри, як амплітуда, тиск і температура, можна оптимізувати на менших установках, а потім перенести на обладнання з більшою пропускною здатністю. Компанія Hielscher описує ефективність ультразвукового процесу як лінійно масштабовану після визначення оптимальної конфігурації параметрів.
Ця можливість лінійного масштабування є особливо важливою для хіміків та інженерів-технологів, які працюють із чутливими супрамолекулярними системами. Самоорганізовані матеріали часто залежать від вузьких технологічних діапазонів. Зміна інтенсивності перемішування, часу перебування, температурного профілю або щільності енергії може вплинути на морфологію продукту. Масштабовані ультразвукові системи допомагають зменшити цей ризик, забезпечуючи дотримання заданих умов обробки ультразвуком під час переходу від мілілітрових до літрових об’ємів і, зрештою, до виробничих витрат.
Компанія Hielscher також пропонує промислові потокові реактори, такі як MultiSonoReactor, призначені для високопродуктивної потокової ультразвукової обробки. Ці системи призначені для таких завдань, як гомогенізація, змішування, диспергування, екстракція та сонохімічні реакції.

Наукова та промислова значимість надмолекулярних поліморфів, синтезованих за допомогою ультразвуку

Дослідження ультразвуково-керованого супрамолекулярного поліморфізму є важливим, оскільки воно демонструє, як ультразвукові ефекти в хімії можна використовувати для отримання різних станів речовини з однієї й тієї ж молекулярної системи. Замість того, щоб змінювати молекулу, дослідники змінили умови процесу. Саме це робить ультразвукову обробку привабливою для промислової хімії: вона дозволяє покращити результати за рахунок інтенсифікації процесу, а не за рахунок додаткових етапів синтезу.
У науково-дослідницькій сфері отримані результати сприяють глибшому розумінню хірального самоорганізування, кінетичного утримання, термодинамічного контролю та супрамолекулярних енергетичних ландшафтів. У промисловості ці ж принципи можуть сприяти вдосконаленню скринінгу поліморфів, прискоренню розробки функціональних матеріалів, кращому контролю за морфологією агрегатів та забезпеченню більшої відтворюваності процесів переробки сучасних хімічних систем.

На практиці ультразвукова обробка може допомогти хімікам та інженерам-хімікам:

• прискорити процеси самоорганізації
• сприяти створенню шляхів агрегації, які інакше були б недоступними
• підвищити відтворюваність у системах, що залежать від біологічних шляхів
• зменшити залежність від тривалих періодів встановлення рівноваги
• аналіз кінетичних та термодинамічних станів продукту
• впровадити перспективні результати лабораторних досліджень у виробничі процеси

Ультразвукова обробка як базова технологія

Потужний ультразвук є основоположною технологією для супрамолекулярної хімії. Контрольоване подавання акустичної енергії може впливати на молекулярну організацію складних систем і відкривати доступ до структур, які важко отримати лише за допомогою звичайного перемішування або термічної обробки.
На прикладі приладу Hielscher UP50H у згаданому дослідженні продемонстровано цінність точної лабораторної ультразвукової обробки для фундаментальних супрамолекулярних досліджень. За допомогою більших настільних та промислових ультразвукових приладів компанії Hielscher цю ж технологічну платформу можна розширити для оптимізації технологічних процесів, поточної обробки та лінійного масштабування.
Для хіміків це відкриває нові експериментальні напрямки в галузі самоорганізації та контролю поліморфізму. Для інженерів-хіміків це надає масштабований технологічний інструмент для перетворення ультразвукових ефектів у хімії на надійні виробничі стратегії.

Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну потужність обробки наших ультразвукових апаратів:

Проектування, виробництво та консалтинг – Якість зроблено в Німеччині

Ультразвукові апарати Hielscher добре відомі своїми найвищими стандартами якості та дизайну. Надійність і простота експлуатації дозволяють плавно інтегрувати наші ультразвукові апарати в промислові об'єкти. З важкими умовами та вимогливими умовами легко справляються ультразвукові апарати Hielscher.

Hielscher Ultrasonics є сертифікованою компанією ISO і приділяє особливу увагу високопродуктивним ультразвуковим апаратам, які відрізняються найсучаснішими технологіями та зручністю для використання. Звичайно, ультразвукові апарати Hielscher відповідають вимогам CE та відповідають вимогам UL, CSA та RoHs.

Література / Список літератури