Xử lý siêu âm mở ra những lộ trình mới trong hóa học siêu phân tử

Hóa học siêu phân tử dựa trên các tương tác yếu, thuận nghịch: liên kết hydro, tương tác xếp chồng π–π, lực van der Waals, hiệu ứng kỵ dung môi và sự nhận diện đối quang. Những tương tác này cho phép các phân tử tự tổ chức thành các cấu trúc lớn hơn như sợi, thanh, gel, tập hợp kết tụ và polyme siêu phân tử. Đối với các nhà hóa học và kỹ sư hóa học, thách thức không chỉ là tạo ra những cấu trúc này mà còn là kiểm soát cấu trúc nào hình thành, tốc độ hình thành và liệu cấu trúc đó vẫn bị bẫy động học hay đạt đến trạng thái ổn định nhất về mặt nhiệt động lực học.

Hiệu ứng siêu âm trong hóa học: Xử lý siêu âm kiểm soát quá trình tự lắp ráp siêu phân tử

Một nghiên cứu khoa học của Wehner và cộng sự (2020), được công bố trên Nature Communications, chứng minh rằng xử lý siêu âm có thể được sử dụng như một kích thích mạnh từ bên ngoài để kiểm soát các lộ trình tự lắp ráp trong hóa học siêu phân tử. Các nhà nghiên cứu đã khảo sát một hỗn hợp racemic của các phân tử perylene bisimide có tính đối quang và cho thấy xử lý siêu âm có thể định hướng sự hình thành các dạng đa hình siêu phân tử khác nhau. Tùy thuộc vào điều kiện siêu âm, hệ tạo ra các cấu trúc tự lắp ráp khác nhau, bao gồm các tập hợp kết tụ chịu sự kiểm soát của động học và một polyme siêu phân tử racemic ổn định về mặt nhiệt động lực học. Nghiên cứu nêu rõ việc sử dụng thiết bị xử lý siêu âm Hielscher UP50H để xử lý siêu âm, vận hành ở 30 kHz, 50 W và biên độ 100%.
Kết quả này có ý nghĩa rất lớn đối với hóa học vật liệu hiện đại vì cho thấy siêu âm không chỉ đơn thuần là công cụ trộn hoặc phân tán. Trong các điều kiện được xác định rõ ràng, xử lý siêu âm có thể đóng vai trò là một thông số quy trình để kiểm soát các lộ trình ở cấp độ phân tử.

Vì sao hiệu ứng siêu âm có vai trò quan trọng trong hóa học

Hiệu ứng siêu âm trong hóa học chủ yếu do hiện tượng xâm thực âm gây ra. Khi siêu âm cường độ cao được đưa vào chất lỏng, các chu kỳ áp suất luân phiên tạo ra những bọt xâm thực cực nhỏ. Sự phát triển và sụp đổ của chúng tạo ra các điều kiện năng lượng cao cục bộ, các dòng vi lưu mạnh, gradient cắt lớn và sự truyền khối hiệu quả. Trong các quá trình hóa học và vật liệu, những hiệu ứng này có thể ảnh hưởng đến sự tạo mầm, kết tụ, hình thành hạt, phân tán, kết tinh và tự lắp ráp.
Trong hóa học siêu phân tử, điều này đặc biệt có giá trị vì nhiều hệ phụ thuộc vào lộ trình. Cùng một phân tử có thể tự lắp ráp thành các dạng đa hình khác nhau tùy thuộc vào trình tự và cường độ đưa năng lượng vào, nhiệt độ, nồng độ, thành phần dung môi và thời gian. Xử lý siêu âm cung cấp một phương thức có thể kiểm soát để đưa năng lượng cơ học vào hệ mà không làm thay đổi cấu trúc phân tử của đơn vị cấu thành.
Đối với các kỹ sư hóa học, đây là một lợi thế mang tính quyết định: siêu âm có thể được thiết lập theo các thông số. Biên độ, công suất, hình học của đầu dò siêu âm và thiết bị phản ứng, nhiệt độ, thời gian lưu, áp suất và lưu lượng có thể được điều chỉnh, giám sát và chuyển từ các thử nghiệm tính khả thi sang xử lý các thể tích lớn hơn.

Xử lý siêu âm như một công cụ kiểm soát quá trình tự lắp ráp

Nghiên cứu đã khảo sát sự tự lắp ráp của hỗn hợp racemic gồm hai phân tử perylene bisimide đối quang. Khi không có kích thích bên ngoài phù hợp, các hệ như vậy có thể đi theo một con đường kết tụ ưu tiên hoặc bị giữ lại ở các trạng thái giả bền. Bằng cách áp dụng xử lý siêu âm có kiểm soát, các nhà nghiên cứu đã có thể thu được các dạng tổ chức siêu phân tử khác nhau.
Phát hiện chính rất rõ ràng nhưng có ý nghĩa lớn: xử lý siêu âm đã làm thay đổi con đường tự lắp ráp. Ở các nhiệt độ và nồng độ cụ thể, siêu âm công suất cao thúc đẩy sự chuyển đổi từ trạng thái kết tụ này sang trạng thái kết tụ khác. Trong điều kiện xử lý siêu âm chịu sự kiểm soát động học, hệ hình thành một khối kết tụ siêu phân tử. Trong điều kiện xử lý siêu âm chịu sự kiểm soát nhiệt động học, hệ hình thành một polyme siêu phân tử racemic có hình thái khác và độ ổn định cao hơn.
Ý nghĩa khoa học nằm ở khả năng tác động đến việc sự kết tụ đồng tính đối quang hay dị tính đối quang chiếm ưu thế. Ý nghĩa công nghiệp nằm ở khái niệm rộng hơn: xử lý siêu âm có thể giúp định hướng sự tổ chức của các phân tử, chứ không chỉ đẩy nhanh quá trình xử lý.

Điều này có ý nghĩa đối với:

• polyme siêu phân tử và vật liệu hữu cơ chức năng
• nghiên cứu sự kết tụ đối quang và phân giải hỗn hợp racemic
• kết tinh và sàng lọc các dạng đa hình
• sự hình thành sợi nano, thanh nano và các tập hợp phân tử thuốc nhuộm
• phát triển công thức và xử lý vật liệu tiên tiến
• mở rộng quy mô các quá trình hóa học có hỗ trợ siêu âm

Vai trò của máy siêu âm Hielscher trong hóa học siêu phân tử

Trong phần thực nghiệm, quá trình xử lý siêu âm được thực hiện bằng Hielscher UP50H, một thiết bị xử lý siêu âm nhỏ gọn dùng trong phòng thí nghiệm. UP50H là máy siêu âm dạng đầu dò có công suất 50 W, tần số 30 kHz, được thiết kế cho các mẫu nhỏ trong phòng thí nghiệm và được sử dụng trong các phòng thí nghiệm hóa học, sinh học, y học và phân tích. Hielscher mô tả UP50H là thiết bị phù hợp để vận hành bằng cách cầm tay hoặc gắn trên giá đỡ, cũng như cho các tác vụ như phân tán, hòa tan, nhũ hóa và đồng nhất hóa các mẫu có thể tích nhỏ.
Trong nghiên cứu này, UP50H cung cấp năng lượng siêu âm cần thiết để khởi phát và định hướng sự chuyển đổi của các tập hợp siêu phân tử. Điều này minh họa một điểm thực tiễn quan trọng đối với các nhà hóa học: xử lý siêu âm thể tích nhỏ trong phòng thí nghiệm có thể giúp xác định các khoảng điều kiện vận hành mà nếu chỉ khuấy, gia nhiệt hoặc để già hóa thụ động thì khó nhận biết được.
Vì vậy, trong hóa học siêu phân tử, các máy siêu âm dạng đầu dò như UP50H có thể được sử dụng không chỉ để chuẩn bị mẫu mà còn như một biến thực nghiệm chủ động. Bằng cách thay đổi nhiệt độ và thời gian xử lý siêu âm, các nhà nghiên cứu có thể khảo sát các chế độ động học và nhiệt động học, sàng lọc các con đường kết tụ và xác định các dạng đa hình giả bền hoặc bền.
 

Các nghiên cứu quang phổ về hỗn hợp racemic của (R,R)- và (S,S)-PBI. a Cấu trúc hóa học của (R,R)- và (S,S)-PBI và sơ đồ minh họa quá trình trùng hợp siêu phân tử do siêu âm gây ra của hỗn hợp racemic của (R,R)- và (S,S)-PBI thành các khối kết tụ Con-Agg 1 và Con-Agg 2 và polyme siêu phân tử racemic Rac-Agg 4.
Nghiên cứu và sơ đồ: ©Wehner et al., 2020

Từ khám phá trong phòng thí nghiệm đến xử lý siêu âm có khả năng mở rộng quy mô

Một ưu điểm lớn của các thiết bị siêu âm Hielscher là sự sẵn có của thiết bị siêu âm trong toàn bộ chuỗi phát triển: từ các thiết bị phòng thí nghiệm nhỏ gọn đến các hệ thống để bàn và thiết bị xử lý siêu âm công nghiệp. Hielscher cung cấp các thiết bị siêu âm và đầu dò để xử lý chất lỏng từ quy mô phòng thí nghiệm đến quy mô sản xuất, với các ứng dụng bao gồm xử lý hóa học, giảm kích thước hạt, chiết xuất, phân tán và đồng nhất hóa.
Điều này có ý nghĩa vì nhiều kết quả nghiên cứu đầy hứa hẹn trong hóa học siêu âm hoặc hóa học siêu phân tử không thể vượt ra khỏi phòng thí nghiệm khi quy trình không thể được tái lập ở quy mô lớn hơn. Cách tiếp cận của Hielscher trong phát triển quy trình siêu âm dựa trên các thông số có thể kiểm soát và các cấu hình thiết bị có thể mở rộng quy mô. Khi đã xác định được khoảng điều kiện xử lý siêu âm hiệu quả, quy trình có thể được chuyển sang các hệ thống siêu âm lớn hơn bằng cách duy trì mức năng lượng đầu vào và các điều kiện xử lý có liên quan.
Đối với người dùng công nghiệp, điều này có nghĩa là xử lý siêu âm có thể được xem không chỉ là một phương pháp nghiên cứu mà còn là một công nghệ xử lý.

Xử lý siêu âm trên dòng chảy cho quá trình xử lý hóa học liên tục

Xử lý siêu âm theo mẻ hữu ích cho việc sàng lọc trong phòng thí nghiệm và tối ưu hóa ở thể tích nhỏ. Tuy nhiên, sản xuất hóa chất thường đòi hỏi vận hành liên tục, khả năng tái lập và thời gian lưu xác định. Các hệ thống siêu âm Hielscher hỗ trợ xử lý siêu âm trên dòng chảy, trong đó chất lỏng được bơm qua buồng dòng chảy siêu âm hoặc thiết bị phản ứng siêu âm và chịu tác động của trường xâm thực trong các điều kiện được kiểm soát.
Xử lý siêu âm trên dòng chảy có thể được vận hành ở chế độ một lượt hoặc chế độ tuần hoàn, cho phép chất lỏng đi qua vùng xử lý siêu âm một hoặc nhiều lần. Hielscher cho biết các thiết bị xử lý siêu âm của hãng có sẵn cho cả xử lý theo mẻ và xử lý liên tục trên dòng chảy, từ các thiết bị phòng thí nghiệm và để bàn đến quy mô công nghiệp hoàn chỉnh.

Đối với hóa học siêu phân tử và kỹ thuật hóa học, xử lý siêu âm trên dòng chảy mang lại một số ưu điểm:

• thời gian lưu trong vùng xâm thực được kiểm soát
• khả năng tái lập được cải thiện so với khuấy trộn theo mẻ không được kiểm soát
• quản lý nhiệt tốt hơn nhờ các buồng dòng chảy và hệ thống làm mát bên ngoài
• xử lý liên tục cho thể tích lớn hơn
• tích hợp dễ dàng hơn vào các dây chuyền sản xuất hóa chất hiện có
• cường độ xử lý có thể được điều chỉnh theo quy mô bằng cách điều chỉnh lưu lượng, biên độ và cấu hình thiết bị phản ứng

Trong hóa học phụ thuộc vào lộ trình, các thông số này có thể đóng vai trò then chốt. Nếu một hệ siêu phân tử phản ứng khác nhau với xử lý siêu âm cường độ cao trong thời gian ngắn và xử lý siêu âm nhẹ kéo dài, thì xử lý trên dòng chảy cung cấp cơ sở kỹ thuật để xác định và tái lập mức tác động đó.

Mở rộng quy mô tuyến tính: Từ sàng lọc hóa học siêu âm đến sản xuất

Công nghệ siêu âm Hielscher được thiết kế để mở rộng quy mô từ thử nghiệm trong phòng thí nghiệm đến xử lý công nghiệp. Đối với các hệ thống lớn, các thông số quy trình như biên độ, áp suất và nhiệt độ có thể được tối ưu hóa trong các hệ thống nhỏ hơn rồi chuyển sang thiết bị có năng suất xử lý cao hơn. Hielscher mô tả hiệu suất của quy trình siêu âm là có thể mở rộng tuyến tính sau khi đã xác định được cấu hình thông số tối ưu.
Khả năng mở rộng quy mô tuyến tính này đặc biệt quan trọng đối với các nhà hóa học và kỹ sư quy trình làm việc với các hệ siêu phân tử nhạy cảm. Vật liệu tự lắp ráp thường phụ thuộc vào các khoảng điều kiện xử lý hẹp. Sự thay đổi về cường độ trộn, thời gian lưu, diễn biến nhiệt độ hoặc mật độ năng lượng có thể làm thay đổi hình thái sản phẩm. Các hệ thống siêu âm có thể mở rộng quy mô giúp giảm rủi ro này bằng cách duy trì các điều kiện xử lý siêu âm xác định khi quy trình chuyển từ mililít sang lít và cuối cùng đến lưu lượng ở quy mô sản xuất.
Hielscher cũng cung cấp các thiết bị phản ứng công nghiệp trên dòng chảy như MultiSonoReactor để xử lý siêu âm trên dòng chảy với năng suất cao. Các hệ thống này được thiết kế cho các ứng dụng bao gồm đồng nhất hóa, trộn, phân tán, chiết xuất và các phản ứng hóa học siêu âm.

Ý nghĩa khoa học và công nghiệp của các dạng đa hình siêu phân tử được tổng hợp bằng siêu âm

Nghiên cứu về tính đa hình siêu phân tử được điều khiển bằng siêu âm có ý nghĩa quan trọng vì cho thấy cách sử dụng các hiệu ứng siêu âm trong hóa học để thu được những trạng thái vật liệu khác nhau từ cùng một hệ phân tử. Thay vì thay đổi phân tử, các nhà nghiên cứu đã thay đổi điều kiện quá trình. Đây chính là điểm khiến xử lý siêu âm trở nên hấp dẫn đối với hóa học công nghiệp: phương pháp này có thể cải thiện kết quả thông qua tăng cường quá trình thay vì bổ sung các bước tổng hợp.
Đối với nghiên cứu khoa học, các phát hiện này góp phần làm sâu sắc hơn hiểu biết về sự tự lắp ráp bất đối, sự mắc kẹt động học, kiểm soát nhiệt động học và các bề mặt năng lượng siêu phân tử. Đối với công nghiệp, những nguyên lý tương tự có thể hỗ trợ cải thiện việc sàng lọc các dạng đa hình, phát triển vật liệu chức năng nhanh hơn, kiểm soát hình thái tập hợp tốt hơn và xử lý các hệ hóa học tiên tiến với khả năng tái lập cao hơn.

Trong thực tế, xử lý siêu âm có thể giúp các nhà hóa học và kỹ sư hóa học:

• đẩy nhanh các chuyển đổi tự lắp ráp
• thúc đẩy các con đường kết tập mà nếu không có siêu âm thì không thể tiếp cận
• cải thiện khả năng tái lập trong các hệ phụ thuộc vào con đường hình thành
• giảm sự phụ thuộc vào thời gian thiết lập cân bằng kéo dài
• sàng lọc các trạng thái sản phẩm được kiểm soát bởi động học và nhiệt động học
• chuyển các kết quả triển vọng trong phòng thí nghiệm sang các quá trình xử lý trong dòng chảy

Xử lý siêu âm như một công nghệ tạo điều kiện phát triển

Siêu âm công suất là một công nghệ tạo điều kiện phát triển cho hóa học siêu phân tử. Việc đưa năng lượng âm vào một cách có kiểm soát có thể tác động đến sự tổ chức phân tử của các hệ phức tạp và tạo khả năng tiếp cận những cấu trúc khó thu được chỉ bằng khuấy thông thường hoặc xử lý nhiệt.
Với Hielscher UP50H, nghiên cứu được trích dẫn chứng minh giá trị của việc xử lý siêu âm chính xác trong phòng thí nghiệm đối với nghiên cứu cơ bản về siêu phân tử. Với các máy siêu âm để bàn và công nghiệp lớn hơn của Hielscher, cùng một nền tảng công nghệ có thể được mở rộng để tối ưu hóa quá trình, xử lý trong dòng chảy và mở rộng quy mô tuyến tính.
Đối với các nhà hóa học, điều này mở ra những hướng thực nghiệm mới trong tự lắp ráp và kiểm soát các dạng đa hình. Đối với các kỹ sư hóa học, công nghệ này cung cấp một công cụ xử lý có khả năng mở rộng quy mô để chuyển các hiệu ứng siêu âm trong hóa học thành những chiến lược sản xuất đáng tin cậy.

Bảng dưới đây cho biết năng lực xử lý gần đúng của các máy siêu âm của chúng tôi:

Thiết kế, sản xuất và tư vấn – Chất lượng sản xuất tại Đức

Máy siêu âm Hielscher nổi tiếng với các tiêu chuẩn chất lượng và thiết kế cao nhất. Độ bền và khả năng vận hành dễ dàng cho phép tích hợp thuận lợi các máy siêu âm của chúng tôi vào các cơ sở công nghiệp. Máy siêu âm Hielscher dễ dàng đáp ứng các điều kiện khắc nghiệt và môi trường đòi hỏi cao.

Hielscher Ultrasonics là một công ty được chứng nhận ISO và đặc biệt chú trọng đến các máy siêu âm hiệu năng cao ứng dụng công nghệ tiên tiến nhất và thân thiện với người dùng. Tất nhiên, máy siêu âm Hielscher tuân thủ CE và đáp ứng các yêu cầu của UL, CSA và RoHs.

Tài liệu / Tài liệu tham khảo

• 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.