Cấu trúc supramolecular được lắp ráp thông qua siêu âm

Sonication là một công cụ mạnh mẽ và đa năng trong hóa học supramolecular, cho phép kiểm soát chính xác các quá trình lắp ráp không cộng hóa trị, vốn thường nhạy cảm với các thông số động học và nhiệt động lực học. Việc áp dụng sóng siêu âm có công suất cao vào môi trường lỏng ảnh hưởng đến các tương tác phân tử, thúc đẩy quá trình tự lắp ráp, tăng cường quá trình trộn và khuyến khích sự tái tổ chức cấu trúc ở cấp độ nano.

Cách siêu âm ảnh hưởng đến quá trình lắp ráp siêu phân tử

Trong các hệ thống supramolecular, nơi các tương tác yếu như liên kết hydro, xếp chồng π–π, phối hợp kim loại và lực van der Waals chi phối quá trình hình thành cấu trúc, siêu âm có thể tác động chọn lọc vào các con đường lắp ráp. Nó cho phép quá trình kết tinh đồng nhất, hỗ trợ phân tán các khối xây dựng và thúc đẩy việc hình thành các cấu trúc metastable hoặc bị mắc kẹt động học, thường không thể tiếp cận được trong điều kiện thông thường. Hơn nữa, siêu âm có thể điều chỉnh cân bằng giữa trạng thái lắp ráp và trạng thái tháo rời, cung cấp một phương pháp động để kiểm soát các hệ thống supramolecular có thể đảo ngược.
Ngoài các tác động vật lý, sonochemistry cung cấp một phương pháp thân thiện với môi trường và tiết kiệm năng lượng. – thường được thực hiện trong điều kiện không sử dụng dung môi hoặc điều kiện nhẹ nhàng. – Điều này làm cho nó trở nên hấp dẫn cho việc tổng hợp các gel supramolecular, nanofibers, phức hợp chủ-khách và các cấu trúc nano lai. Do đó, siêu âm không chỉ là một kỹ thuật chuẩn bị mẫu, mà còn là một yếu tố cơ học-hóa học chính trong thiết kế và chế tạo có chủ đích các vật liệu supramolecular.

Phương pháp tổng hợp supramolecule được xúc tác bằng siêu âm

Siêu âm có thể thúc đẩy quá trình hình thành, ổn định hoặc biến đổi của nhiều hệ thống supramolecular thông qua hiện tượng cavitation âm thanh, gradient cắt tạm thời và tác động của tia vi mô. Các danh mục sau đây minh họa các cấu trúc điển hình được hình thành hoặc ảnh hưởng bởi quá trình tự lắp ráp có sự hỗ trợ của siêu âm:

1. Phức hợp chủ-khách supramolecular
   Phức hợp bao gồm cyclodextrin
   Hệ thống chủ-khách dựa trên cucurbituril
   Calixarene và các cấu trúc pillar[5]arene
   Các phân tử được liên kết cơ học (rotaxanes, catenanes)
2. Graphene oxit supramolecular và các hợp chất lai 2D

   • Các phức hợp graphene oxit–chromophore xếp chồng π–π
   • Hợp chất siêu phân tử graphene oxit–polymer
   • Chức năng hóa không cộng hóa trị với porphyrins, fullerenes hoặc peptides
3. Sợi nano và ống nano siêu phân tử

   • Sợi nano amphiphile peptide
   • Sợi nano liên kết π (ví dụ: perylene bisimide, porphyrin hoặc các dẫn xuất cyanine)
   • Ống nano liên kết hydro hoặc xếp chồng π–π
4. Gel siêu phân tử (Sonogels)
   • Organogels và hydrogels được kích hoạt hoặc ổn định bằng sóng siêu âm
   • Sự chuyển đổi sol–gel được gây ra bởi gia nhiệt cục bộ và lực cắt.
   • Mạng lưới supramolecular có thể đảo ngược (liên kết hydro, kim loại–phụ gia hoặc ion)
5. Các tập hợp và khối kết tụ siêu phân tử
   • Micelles và vesicle được hình thành từ các phân tử amphiphilic
   • Các tập hợp coacervate và các tập hợp keo
   • Cụm phân tử chirale và các tập hợp đa hình bị ảnh hưởng bởi năng lượng siêu âm.
6. Các cấu trúc nano xốp siêu phân tử và khung xốp 
 

   • Nanosponge dựa trên cyclodextrin
   • Khung kim loại-hữu cơ (MOFs) và khung hữu cơ cộng hóa trị (COFs) được tạo ra bằng phương pháp sonochemistry.
   • Mạng lưới supramolecular xốp được sử dụng cho xúc tác hoặc tải thuốc
7. Các cấu trúc siêu phân tử phản ứng với siêu âm khác

   • Capsule siêu phân tử và nanocapsid
   • Lớp đơn phân tử tự lắp ráp (SAMs) và lớp đa phân tử
   • Cấu trúc supramolecular dựa trên DNA
   • Polime phối hợp và gel kim loại

Ứng dụng siêu âm trong lắp ráp siêu phân tử

Siêu âm ảnh hưởng đến quá trình tự lắp ráp supramolecular thông qua các tác động cơ học, nhiệt và cavitational.

Các quy trình chính bao gồm:

1. Quá trình nhũ hóa và hình thành nanoemulsion
   • Hỗ trợ quá trình bao bọc supramolecular trong hệ thống dầu/nước.
   • Thúc đẩy quá trình trộn đều các pha không hòa tan.
2. Giảm kích thước hạt và tách rời hạt
   • Phân hủy các tập hợp supramolecular lớn hoặc tinh thể.
   • Kiểm soát hình thái và độ đa phân tán
3. Phân tán và đồng nhất hóa

   • Tăng cường sự phân tán của các hạt nano hoặc các khối xây dựng supramolecular trong dung môi.
   • Cải thiện độ đồng đều trong quá trình hình thành gel hoặc vật liệu hỗn hợp.
4. Tăng cường quá trình bao bọc và phức hợp
   • Tăng tốc quá trình bao bọc khách hàng trong các hệ thống cyclodextrin hoặc micelle.
   • Kích thích quá trình hình thành nano-capsule cho việc vận chuyển thuốc hoặc xúc tác.
5. Kết nối sợi quang / Giảm chiều dài
   • Ngắn lại các sợi nano peptit hoặc polymer bằng lực cắt do hiện tượng cavitation
   • Phân mảnh có kiểm soát của các sợi supramolecular và ống nano
6. Quá trình kết tinh và kiểm soát đa hình
   • Quá trình tạo hạt hỗ trợ bằng siêu âm cho sự phát triển tinh thể có kiểm soát
   • Sự hình thành các dạng đa hình siêu phân tử không ổn định hoặc có ưu thế động học.
7. Liên kết chéo và hình thành mạng lưới
   • Gây ra sự tái tổ chức liên kết trong các mạng liên kết hydro hoặc mạng kim loại-phụ gia.
   • Khởi động quá trình hình thành các khung kim loại-hữu cơ siêu phân tử (MOFs)
   • Kích thích quá trình hình thành các hydrogel và sonogel siêu phân tử.
8. Kích hoạt và chức năng hóa bằng siêu âm
   • Kích hoạt các phản ứng cho quá trình sửa đổi supramolecular
   • Cho phép gắn kết không cộng hóa trị các nhóm chức năng lên khung nền chủ.
9. Sự phân hủy và tháo rời có thể đảo ngược
   • Năng lượng siêu âm được sử dụng để tháo rời các cấu trúc supramolecular một cách có thể đảo ngược.
   • Phóng thích có kiểm soát các chất được bao bọc dưới tác động của kích thích siêu âm.

Chọn máy siêu âm tốt nhất cho supramolecules

Các thiết bị siêu âm Hielscher là hệ thống siêu âm dạng đầu dò có hiệu suất cao, được thiết kế đặc biệt để cung cấp năng lượng chính xác trong các quá trình pha lỏng, khiến chúng đặc biệt phù hợp cho quá trình sonochemical và lắp ráp supramolecular của các cấu trúc phức tạp. Khả năng kiểm soát chính xác về biên độ, thời gian, chế độ xung và nhiệt độ cho phép tạo ra động học cavitation có thể tái tạo, thúc đẩy quá trình trộn hiệu quả, tăng cường truyền khối và kích hoạt các tương tác không cộng hóa trị cần thiết cho tổ chức supramolecular. Trong sonochemistry, cavitation âm thanh được kiểm soát có thể thúc đẩy quá trình tự lắp ráp, hỗ trợ phức hợp chủ-khách và ảnh hưởng đến hình thái hoặc độ ổn định của các tập hợp supramolecular. Độ bền, khả năng mở rộng và giám sát quá trình kỹ thuật số của các thiết bị Hielscher cho phép điều chỉnh chính xác điều kiện phản ứng từ các thí nghiệm phòng thí nghiệm quy mô nhỏ đến tổng hợp công nghiệp – kết nối nghiên cứu supramolecular cơ bản với sản xuất vật liệu ứng dụng.

Bảng dưới đây cung cấp cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của ultrasonicators của chúng tôi:

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

Hielscher ultrasonicators nổi tiếng với chất lượng cao nhất và tiêu chuẩn thiết kế của họ. Mạnh mẽ và hoạt động dễ dàng cho phép tích hợp trơn tru của ultrasonicators của chúng tôi vào các cơ sở công nghiệp. Điều kiện khắc nghiệt và môi trường đòi hỏi dễ dàng được xử lý bởi Hielscher ultrasonicators.

Hielscher Ultrasonics là một công ty được chứng nhận ISO và đặc biệt nhấn mạnh vào ultrasonicators hiệu suất cao có công nghệ tiên tiến và thân thiện với người dùng. Tất nhiên, Hielscher ultrasonicators là CE tuân thủ và đáp ứng các yêu cầu của UL, CSA và RoHs.