Ultratovush bilan ishlov berish supramolekulyar kimyoda yangi yoʻllarni ochadi

Supramolekulyar kimyo kuchsiz, qaytar oʻzaro taʼsirlarga tayanadi: vodorod bogʻlanishi, π–π taxlanish, van der Waals kuchlari, solvofob effektlar va xiral tanib olish. Bu oʻzaro taʼsirlar molekulalarga tolalar, tayoqchalar, gellar, agregatlar va supramolekulyar polimerlar kabi yirikroq tuzilmalarga oʻz-oʻzidan uyushish imkonini beradi. Kimyogarlar va kimyoviy texnologiya muhandislari uchun vazifa faqat bunday tuzilmalarni hosil qilish emas, balki qaysi tuzilma hosil boʻlishini, u qanchalik tez hosil boʻlishini hamda kinetik jihatdan tutilgan holatda qolishini yoki termodinamik jihatdan eng barqaror holatga yetishini boshqarishdan iborat.

Kimyodagi ultratovush effektlari: ultratovush bilan ishlov berish supramolekulyar oʻz-oʻzidan yigʻilishni boshqaradi

Wehner va boshqalarning (2020) Nature Communications jurnalida chop etilgan ilmiy tadqiqoti ultratovush bilan ishlov berishdan supramolekulyar kimyoda oʻz-oʻzidan yigʻilish yoʻllarini boshqaruvchi kuchli tashqi stimul sifatida foydalanish mumkinligini koʻrsatadi. Tadqiqotchilar xiral perilen bisimid molekulalarining ratsemik aralashmasini oʻrganib, ultratovush bilan ishlov berish turli supramolekulyar polimorflarning hosil boʻlishini yoʻnaltira olishini koʻrsatdilar. Ultratovush sharoitlariga qarab, tizim turli oʻz-oʻzidan yigʻilgan tuzilmalarni, jumladan, kinetik nazorat ostidagi konglomeratlar va termodinamik jihatdan barqaror ratsemik supramolekulyar polimerni hosil qildi. Tadqiqotda ultratovush bilan ishlov berish uchun aynan Hielscher UP50H ultratovush protsessori ishlatilib, u 30 kHz, 50 W va 100% amplitudada ishlatildi.
Bu natija zamonaviy materiallar kimyosi uchun juda muhim, chunki u ultratovush faqat aralashtirish yoki disperslash vositasi emasligini koʻrsatadi. Aniq belgilangan sharoitlarda ultratovush bilan ishlov berish molekulyar jarayon yoʻllarini boshqarish uchun jarayon parametri vazifasini bajarishi mumkin.

Nima uchun kimyoda ultratovush effektlari muhim

Kimyodagi ultratovush effektlari asosan akustik kavitatsiya tufayli yuzaga keladi. Yuqori intensivlikdagi ultratovush suyuqlikka kiritilganda, almashinuvchi bosim sikllari mikroskopik kavitatsiya pufakchalarini hosil qiladi. Ularning oʻsishi va qulab yoʻqolishi mahalliy yuqori energiyali sharoitlarni, kuchli mikrooqimlarni, katta siljish gradientlarini va samarali massa almashinuvini yuzaga keltiradi. Kimyoviy jarayonlar va materiallarga ishlov berishda bu effektlar yadrolanish, agregatsiya, zarrachalar hosil boʻlishi, disperslanish, kristallanish va oʻz-oʻzidan yigʻilishga taʼsir qilishi mumkin.
Supramolekulyar kimyoda bu ayniqsa qimmatlidir, chunki koʻplab tizimlar jarayon yoʻliga bogʻliq. Bir xil molekula energiya kiritish tartibi va intensivligi, harorat, konsentratsiya, erituvchi tarkibi va vaqtga qarab turli polimorflarga yigʻilishi mumkin. Ultratovush bilan ishlov berish tuzilish birligining molekulyar tuzilishini oʻzgartirmasdan tizimga mexanik energiya kiritishning boshqariladigan usulini taʼminlaydi.
Kimyoviy texnologiya muhandislari uchun bu hal qiluvchi afzallikdir: ultratovushni parametrlar orqali boshqarish mumkin. Amplituda, quvvat, sonotrod va reaktor geometriyasi, harorat, tizimda boʻlish vaqti, bosim va hajmiy oqim tezligini sozlash, kuzatish va amalga oshirish imkoniyatini baholash sinovlaridan kattaroq ishlov berish hajmlariga oʻtkazish mumkin.

Ultratovush bilan ishlov berish oʻz-oʻzidan yigʻilishni boshqarish vositasi sifatida

Tadqiqotda ikkita enantiomer perilen bisimid molekulasining ratsemik aralashmasi oʻz-oʻzidan yigʻilishi oʻrganildi. Tegishli tashqi stimul boʻlmaganda, bunday tizimlar afzal agregatsiya yoʻlidan borishi yoki metastabil holatlarda tutilib qolishi mumkin. Boshqariladigan ultratovush bilan ishlov berishni qoʻllab, tadqiqotchilar turli supramolekulyar natijalarga erisha oldilar.
Asosiy xulosa sodda, ammo kuchli: ultratovush bilan ishlov berish oʻz-oʻzidan yigʻilish yoʻlini oʻzgartirdi. Muayyan harorat va konsentratsiyalarda kuchli ultratovush bir agregat holatidan boshqasiga oʻtishni ragʻbatlantirdi. Kinetik ultratovush bilan ishlov berish sharoitlarida tizim supramolekulyar konglomerat hosil qildi. Termodinamik ultratovush bilan ishlov berish sharoitlarida esa u boshqa morfologiyaga va yuqoriroq barqarorlikka ega ratsemik supramolekulyar polimer hosil qildi.
Ilmiy ahamiyati gomoxiral yoki geteroxiral agregatsiyaning ustunlik qilishiga taʼsir koʻrsatish imkoniyatida. Sanoatdagi ahamiyati esa kengroq tushunchada: ultratovush bilan ishlov berish nafaqat jarayonni tezlashtirishi, balki molekulyar uyushishni yoʻnaltirishga ham yordam berishi mumkin.

Bu quyidagilar uchun muhim:

• supramolekulyar polimerlar va funksional organik materiallar
• xiral agregatsiya va ratsematlarni ajratish tadqiqotlari
• kristallanish va polimorflarni skrining qilish
• nanotolalar, nanotayoqchalar va boʻyoq agregatlarining hosil boʻlishi
• formulyatsiyalarni ishlab chiqish va ilgʻor materiallarga ishlov berish
• ultratovush yordamidagi kimyoviy jarayonlar koʻlamini kengaytirish

Supramolekulyar kimyoda Hielscher ultratovush qurilmalarining roli

Tajriba ishlarida ultratovush bilan ishlov berish ixcham laboratoriya ultratovush protsessori Hielscher UP50H yordamida amalga oshirildi. UP50H kichik laboratoriya namunalari uchun moʻljallangan 50 W, 30 kHz quvvat va chastotaga ega zond tipidagi ultratovush qurilmasi boʻlib, kimyoviy, biologik, tibbiy va analitik laboratoriyalarda ishlatiladi. Hielscher UP50H qurilmasini qoʻlda ushlab yoki shtativga oʻrnatib ishlatishga, shuningdek, kichik hajmdagi namunalarni disperslash, eritish, emulsiyalash va gomogenizatsiyalash kabi vazifalarga mos deb taʼriflaydi.
Ushbu tadqiqotda UP50H supramolekulyar agregatlarning oʻzgarishini boshlash va yoʻnaltirish uchun zarur ultratovush energiyasini taʼminladi. Bu kimyogarlar uchun muhim amaliy jihatni koʻrsatadi: laboratoriyada kichik hajmlarga ultratovush bilan ishlov berish faqat aralashtirish, isitish yoki passiv yetiltirish orqali aniqlash qiyin boʻlgan jarayonning maqbul sharoitlar oraligʻini ochib berishi mumkin.
Shuning uchun supramolekulyar kimyoda UP50H kabi zond tipidagi ultratovush qurilmalaridan nafaqat namuna tayyorlash uchun, balki faol tajriba oʻzgaruvchisi sifatida ham foydalanish mumkin. Ultratovush bilan ishlov berish harorati va davomiyligini oʻzgartirib, tadqiqotchilar kinetik va termodinamik rejimlarni oʻrganishlari, agregatsiya yoʻllarini skrining qilishlari hamda metastabil yoki barqaror polimorflarni aniqlashlari mumkin.
 

(R,R)- va (S,S)-PBI ratsemik aralashmasining spektroskopik tadqiqotlari. a (R,R)- va (S,S)-PBI kimyoviy tuzilmalari hamda (R,R)- va (S,S)-PBI ratsemik aralashmasining ultratovush taʼsirida Con-Agg 1 va Con-Agg 2 konglomeratlariga hamda Rac-Agg 4 ratsemik supramolekulyar polimeriga supramolekulyar polimerlanishining sxematik tasviri.
Tadqiqot va sxema: ©Wehner et al., 2020

Laboratoriya kashfiyotidan koʻlami kengaytiriladigan ultratovush bilan ishlov berishgacha

Hielscher ultratovush qurilmalarining katta afzalligi butun ishlab chiqish zanjiri boʻylab ultratovush uskunalarining mavjudligidir: ixcham laboratoriya qurilmalaridan stol usti tizimlari va sanoat ultratovush protsessorlarigacha. Hielscher laboratoriya koʻlamidan ishlab chiqarish koʻlamigacha suyuqliklarga ishlov berish uchun ultratovush qurilmalari va zondlarini taklif etadi; ularning qoʻllanish sohalari kimyoviy ishlov berish, zarracha oʻlchamini kichraytirish, ekstraksiya, disperslash va gomogenizatsiyani oʻz ichiga oladi.
Bu muhim, chunki jarayonni kattaroq koʻlamda takrorlab boʻlmasa, koʻplab istiqbolli sonokimyoviy yoki supramolekulyar natijalar laboratoriyadan tashqariga chiqa olmaydi. Hielscher kompaniyasining ultratovush jarayonlarini ishlab chiqishga yondashuvi boshqariladigan parametrlar va koʻlami kengaytiriladigan uskuna konfiguratsiyalariga asoslanadi. Ultratovush jarayonining samarali sharoitlar oraligʻi aniqlangach, tegishli energiya kiritilishi va ishlov berish sharoitlarini saqlagan holda jarayonni kattaroq ultratovush tizimlariga oʻtkazish mumkin.
Sanoat foydalanuvchilari uchun bu ultratovush bilan ishlov berishni nafaqat tadqiqot usuli, balki jarayon texnologiyasi sifatida ham koʻrish mumkinligini anglatadi.

Uzluksiz kimyoviy ishlov berish uchun oqimda ultratovush bilan ishlov berish

Partiyali ultratovush bilan ishlov berish laboratoriya skriningi va kichik hajmlarni optimallashtirish uchun foydalidir. Biroq kimyoviy ishlab chiqarish koʻpincha uzluksiz ishlash, takrorlanuvchanlik va belgilangan tizimda boʻlish vaqtlarini talab qiladi. Hielscher ultratovush tizimlari oqimda ultratovush bilan ishlov berishni qoʻllab-quvvatlaydi; bunda suyuqliklar ultratovushli oqim hujayrasi yoki reaktor orqali nasos bilan oʻtkazilib, boshqariladigan sharoitlarda kavitatsiya maydoni taʼsiriga duchor qilinadi.
Oqimda ultratovush bilan ishlov berish bir marta oʻtkazish yoki qayta aylantirish rejimida amalga oshirilishi mumkin, bu esa suyuqlikning ultratovush bilan ishlov berish zonasidan bir yoki bir necha marta oʻtishiga imkon beradi. Hielscher oʻz ultratovush protsessorlari laboratoriya va stol usti qurilmalaridan toʻliq sanoat koʻlamigacha ham partiyali, ham uzluksiz oqimda ishlov berish uchun mavjudligini bildiradi.

Supramolekulyar kimyo va kimyoviy texnologiya uchun oqimda ultratovush bilan ishlov berish bir necha afzallikni taqdim etadi:

• kavitatsiya zonasida boshqariladigan boʻlish vaqti
• nazoratsiz partiyali aralashtirishga nisbatan yaxshilangan takrorlanuvchanlik
• oqim hujayralari va tashqi sovitish orqali issiqlikni yaxshiroq boshqarish
• kattaroq hajmlar uchun uzluksiz ishlov berish
• mavjud kimyoviy ishlab chiqarish liniyalariga osonroq integratsiya
• hajmiy oqim tezligi, amplituda va reaktor konfiguratsiyasini sozlash orqali ishlov berish intensivligi koʻlamini kengaytirish imkoniyati

Jarayon yoʻliga bogʻliq kimyoda bu parametrlar hal qiluvchi ahamiyatga ega boʻlishi mumkin. Agar supramolekulyar tizim qisqa, kuchli ultratovush bilan ishlov berishga uzoq davom etadigan yumshoq ultratovush bilan ishlov berishdan boshqacha javob bersa, oqimda ishlov berish ushbu taʼsirni belgilash va takrorlash uchun muhandislik asosini taʼminlaydi.

Koʻlamni chiziqli kengaytirish: sonokimyoviy skriningdan ishlab chiqarishgacha

Hielscher ultratovush texnologiyasi laboratoriya sinovlaridan sanoat ishlov berishigacha koʻlamni kengaytirish uchun moʻljallangan. Yirik tizimlar uchun amplituda, bosim va harorat kabi jarayon parametrlarini kichikroq qurilmalarda optimallashtirish, keyin esa yuqoriroq ishlov berish unumdorligiga ega uskunalarga oʻtkazish mumkin. Hielscher optimal parametrlar konfiguratsiyasi aniqlangach, ultratovush jarayoni samaradorligi koʻlamini chiziqli ravishda kengaytirish mumkinligini taʼkidlaydi.
Koʻlamni chiziqli kengaytirishning bu imkoniyati sezgir supramolekulyar tizimlar bilan ishlaydigan kimyogarlar va texnologik jarayon muhandislari uchun ayniqsa muhim. Oʻz-oʻzidan yigʻilgan materiallar koʻpincha jarayon sharoitlarining tor oraligʻiga bogʻliq boʻladi. Aralashtirish intensivligi, tizimda boʻlish vaqti, harorat profili yoki energiya zichligidagi oʻzgarish mahsulot morfologiyasini oʻzgartirishi mumkin. Koʻlami kengaytiriladigan ultratovush tizimlari jarayon millilitrlardan litrlarga va oxir-oqibat ishlab chiqarish koʻlamidagi hajmiy oqim tezliklariga oʻtganda belgilangan ultratovush bilan ishlov berish sharoitlarini saqlab, bu xavfni kamaytirishga yordam beradi.
Hielscher yuqori unumdorlikdagi oqimda ultratovush bilan ishlov berish uchun MultiSonoReactor kabi sanoat oqim reaktorlarini ham taklif etadi. Bu tizimlar gomogenizatsiya, aralashtirish, disperslash, ekstraksiya va sonokimyoviy reaksiyalar kabi qoʻllanishlar uchun moʻljallangan.

Ultratovush yordamida sintez qilingan supramolekulyar polimorflarning ilmiy va sanoat ahamiyati

Ultratovush bilan boshqariladigan supramolekulyar polimorfizm haqidagi tadqiqot muhimdir, chunki u kimyodagi ultratovush effektlaridan bir xil molekulyar tizimdan materialning turli holatlarini olish uchun qanday foydalanish mumkinligini koʻrsatadi. Tadqiqotchilar molekulani oʻzgartirish oʻrniga jarayon sharoitlarini oʻzgartirdilar. Aynan shu jihat ultratovush bilan ishlov berishni sanoat kimyosi uchun jozibador qiladi: u qoʻshimcha sintez bosqichlari oʻrniga jarayonni jadallashtirish orqali natijalarni yaxshilashi mumkin.
Ilmiy tadqiqotlar uchun bu natijalar xiral oʻz-oʻzidan yigʻilish, kinetik tutilish, termodinamik boshqaruv va supramolekulyar energiya landshaftlarini chuqurroq tushunishga hissa qoʻshadi. Sanoat uchun ayni tamoyillar polimorflar skriningini yaxshilash, funksional materiallarni tezroq ishlab chiqish, agregat morfologiyasini yaxshiroq boshqarish va ilgʻor kimyoviy tizimlarga yanada takrorlanuvchan ishlov berishga yordam berishi mumkin.

Amaliy jihatdan, ultratovush bilan ishlov berish kimyogarlar va kimyoviy texnologiya muhandislariga quyidagilarda yordam berishi mumkin:

• oʻz-oʻzidan yigʻilishdagi oʻzgarishlarni tezlashtirish
• boshqa usullar bilan erishib boʻlmaydigan agregatsiya yoʻllarini ragʻbatlantirish
• jarayon yoʻliga bogʻliq tizimlarda takrorlanuvchanlikni yaxshilash
• uzoq muvozanatga kelish vaqtlariga bogʻliqlikni kamaytirish
• mahsulotning kinetik va termodinamik holatlarini skrining qilish
• istiqbolli laboratoriya natijalarini oqimdagi jarayonlarga oʻtkazish

Ultratovush bilan ishlov berish imkoniyatlarni ochuvchi texnologiya sifatida

Kuchli ultratovush supramolekulyar kimyo uchun yangi imkoniyatlarni ochuvchi texnologiyadir. Akustik energiyani boshqariladigan tarzda kiritish murakkab tizimlarning molekulyar uyushishiga taʼsir qilishi va faqat odatiy aralashtirish yoki termik ishlov berish orqali olish qiyin boʻlgan tuzilmalarga erishish imkonini yaratishi mumkin.
Hielscher UP50H yordamida keltirilgan tadqiqot fundamental supramolekulyar tadqiqotlar uchun laboratoriyada aniq ultratovush bilan ishlov berishning qiymatini koʻrsatadi. Hielscher kompaniyasining kattaroq stol usti va sanoat ultratovush qurilmalari bilan ayni texnologik platformani jarayonni optimallashtirish, oqimda ishlov berish va koʻlamni chiziqli kengaytirish yoʻnalishlariga tatbiq etish mumkin.
Kimyogarlar uchun bu oʻz-oʻzidan yigʻilish va polimorflarni boshqarishda yangi tajriba yoʻllarini ochadi. Kimyoviy texnologiya muhandislari uchun esa kimyodagi ultratovush effektlarini ishonchli ishlab chiqarish strategiyalariga aylantirish uchun koʻlami kengaytiriladigan jarayon vositasini taqdim etadi.

Quyidagi jadval ultratovush qurilmalarimizning taxminiy ishlov berish quvvati haqida tasavvur beradi:

Loyihalash, ishlab chiqarish va maslahat berish – Germaniyada yaratilgan sifat

Hielscher ultratovush qurilmalari oʻzining eng yuqori sifat va dizayn standartlari bilan mashhur. Mustahkamlik va oson boshqarish ultratovush qurilmalarimizni sanoat obyektlariga muammosiz integratsiya qilish imkonini beradi. Hielscher ultratovush qurilmalari ogʻir sharoitlar va yuqori talab qoʻyiladigan muhitlarda oson ishlaydi.

Hielscher Ultrasonics ISO sertifikatiga ega kompaniya boʻlib, eng zamonaviy texnologiya va foydalanish qulayligiga ega yuqori unumdor ultratovush qurilmalariga alohida eʼtibor qaratadi. Albatta, Hielscher ultratovush qurilmalari CE talablariga mos keladi va UL, CSA hamda RoHs talablariga javob beradi.

Adabiyotlar / Manbalar

• 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.