Mechanochemie Lösungsmittelfreie mechanochemische Reaktionen mit Kugelmühlen durchführen
Die Mechanochemie ist eine Form der Chemie, die Prall- und Reibungskräfte nutzt, um chemische Reaktionen auszulösen - in der Regel durch den Einsatz von Kugelmühlen. Sie gewinnt aufgrund ihrer Umweltfreundlichkeit zunehmend an Aufmerksamkeit, denn Chemiker suchen angesichts wachsender Umweltprobleme nach lösungsmittelfreien Alternativen, und die Mechanochemie bietet einen vielversprechenden Ansatz. Die Methode liefert nicht nur schnellere Reaktionen und damit Energieeinsparungen im Vergleich zu herkömmlichen lösungsmittelbasierten Ansätzen, sondern überwindet auch Probleme wie die schlechte Löslichkeit der Reaktanten. Sie ermöglicht Reaktionen, die in Lösungsmitteln nicht durchführbar sind, und erlaubt die Stabilisierung und Reinigung von Zwischenprodukten. Die Mechanochemie eröffnet somit neue Wege zur Verbesserung der Nachhaltigkeit von Prozessen und zur Entwicklung neuartiger Reaktionen. RETSCH bietet das breiteste Portfolio an Kugelmühlen und optimalem Zubehör für die Durchführung chemischer Reaktionen in Mahlbechern an.
Welche Vorteile haben mechanochemische Reaktionen im Vergleich zu lösungsmittelbasierten Verfahren?
- Bei lösungsmittelfreien Verfahren entfallen bis zu 90 % der Reaktionsmasse, was die Kosteneffizienz und die Umweltsicherheit erhöht. Zudem entfällt die Suche nach dem optimalen Lösungsmittel für eine Reaktion.
- Mit Mechanochemie lassen sich neue Reaktionswege erforschen, da sie auch unlösliche Edukte nutzen kann, Zwischenprodukte stabilisiert oder andere Reaktionen als lösungsmittelbasierte Methoden ermöglicht.
- Dieser Ansatz spart Zeit, da die Reaktionen in der Regel innerhalb von Minuten bis Stunden abgeschlossen sind, im Gegensatz zu den Tagen, die mit Lösungsmitteln benötigt werden.
- Wenn geeignete Bedingungen ermittelt wurden, lassen sich höhere Erträge erzielen
Wie funktioniert Mechanochemie?
In der Mechanochemie sind die Art des Energieeintrags und des Mischens wichtige Faktoren. Planeten-Kugelmühlen nutzen für die Zerkleinerung in erster Linie Reibung, während Schwingmühlen mit Prallwirkung arbeiten. Bestimmte Reaktionen lassen sich in Planeten-Kugelmühlen effektiver durchführen, während andere vom Prall in Schwingmühlen profitieren. Derzeit werden die unterschiedlichen Auswirkungen von Temperatur und Mischeffekten auf mechanochemische Reaktionen untersucht, da die genauen Mechanismen, die diese Reaktionen antreiben, noch nicht vollständig verstanden sind.
Mechanisch-induzierte selbstverbreitende Reaktionen (MSR) sind schnelle, exotherme chemische Reaktionen, die durch mechanische Energie in Kugelmühlen ausgelöst werden und sich ohne externe Erwärmung durch ein Material ausbreiten. Das Video zeigt eine mechanochemische Reaktion zwischen Nickel und Schwefel, die unter bestimmten Umständen als MSR ablaufen kann.Gegen Ende des Videos ist ein Lichtblitz zu sehen, der die Zündung der MSR dokumentiert.
Die Verwendung dieses Videos erfolgt mit Genehmigung von Matej Baláž. [11]
Welche Kugelmühlen werden für die Mechanosynthese eingesetzt?
Kugelmühlen bieten eine präzise Steuerung der Reaktionsbedingungen, unterschiedliche Energieeinträge und die Möglichkeit, Reaktionen in geschlossenen Gefäßen durchzuführen. Typischerweise werden für mechanochemische Reaktionen Planeten-Kugelmühlen und Schwingmühlen verwendet. Die Funktionsprinzipien dieser Kugelmühlentypen unterscheiden sich in einigen Bereichen.
Planeten-Kugelmühlen
Die Mahlbecher sind exzentrisch auf dem Sonnenrad der Planeten-Kugelmühle angeordnet. Die Drehbewegung des Sonnenrades ist gegenläufig zur Mahlbecherdrehung und zwar im Verhältnis 1:-2, 1:-2,5 oder 1:-3.Die im Mahlbecher befindlichen Mahlkugeln werden durch überlagerte Drehbewegungen, so genannte Corioliskräfte, beeinflusst. Die Geschwindigkeitsdifferenzen zwischen Kugeln und Mahlbechern führen zu einer Wechselwirkung aus Reib- und Prallkräften, wobei hohe, dynamische Energien freigesetzt werden. Das Zusammenspiel dieser Kräfte bewirkt den hohen und sehr effektiven Zerkleinerungsgrad der Planeten-Kugelmühlen.
RETSCH bietet vier Modelle an, die 1, 2 oder 4 Mahlbecher in Größen von 12 ml bis 500 ml aufnehmen können.
Die PM 300 arbeitet mit einem Drehzahlverhältnis von 1:-2, erreicht aber im Gegensatz zu den anderen Modellen dank der maximalen Drehzahl von 800 min-1 und dem großen Sonnenrad eine bis zu 64,4-fache Erdbeschleunigung. Dank der Möglichkeit, vier kleine, stapelbare Mahlbecher in Größen von 12 bis 80 ml für den Kleinbetrieb oder zwei Becher mit einer Größe von bis zu 500 ml für Upscaling-Zwecke zu verwenden, eignet sich diese Planeten-Kugelmühle hervorragend für Forschungsanwendungen in der Mechanochemie.
Hochleistungs-Kugelmühle Emax
Die Hochleistungs-Kugelmühle Emax ist eine spezielle Art von Planeten-Kugelmühle. Sie vereint hochfrequenten Prall, intensive Reibung und kontrollierte, kreisende Mahlbecherbewegungen zu einem einzigartigen und sehr effektiven Zerkleinerungsmechanismus mit einer Drehzahl von bis zu 2000 min-1, was einen hohen Energieeintrag bewirkt.
Das Zusammenspiel von Bechergeometrie und Bewegungsablauf sorgt für eine starke Reibung zwischen Kugeln, Probe und Becherwänden sowie für eine hohe Beschleunigung, die die Kugeln an den Becherrundungen mit starkem Prall auf die Probe treffen lässt. Daraus resultiert eine deutlich bessere Durchmischung der Partikel mit höheren Endfeinheiten und engeren Partikelgrößenverteilungen als bisher in Kugelmühlen möglich.
Ein einzigartiges Wasserkühlsystem sorgt für stabile Probentemperaturen und ermöglicht so Mahlprozesse mit extrem hohem Energieeintrag. Der Emax erlaubt die Vermahlung innerhalb eines festgelegten Temperaturbereichs, den der Anwender durch Definition einer Minimal- und einer Maximaltemperatur auswählt. Bei Überschreitung der maximalen Temperatur unterbricht die Mühle automatisch den Mahlvorgang und setzt diesen erst bei Erreichen der Minimaltemperatur fort. Mahldauer und Länge der Pausen werden anhand der Temperaturgrenzen variabel gestaltet, der gesamte Zerkleinerungsprozess bleibt jedoch immer reproduzierbar.
Schwingmühlen
Der Zerkleinerungsmodus von Schwingmühlen beruht hauptsächlich auf Prall. Die Mahlbecher führen in horizontaler Lage radiale Schwingungen aus. Die Trägheit der Mahlkugeln bewirkt, dass sie mit hoher Energie auf das Probenmaterial an den abgerundeten Enden der Becher aufprallen und es zerkleinern. Die Bewegung der Becher in Verbindung mit der Bewegung der Kugeln führt außerdem zu einer intensiven Durchmischung der Probe.
RETSCH bietet fünf Schwingmühlenmodelle an. Die MM 400 wird häufig in der Mechanochemie eingesetzt, da sie kompakt und einfach zu bedienen ist. Ein wichtiges Merkmal ist die Möglichkeit, Langzeitvermahlungen bis 99 h durchzuführen.
Die CryoMill kühlt die Probe im Becher mit flüssigem Stickstoff konstant auf bis zu -196°C. Die MM 500 vario kann bis zu 6 Mahlbecher aufnehmen und bietet mit einer maximalen Frequenz von 35 Hz ein höheres Energieniveau als die MM 400. Die MM 500 nano ist für die Herstellung von Nanopartikeln konzipiert, liefert aber mit einer Frequenz von 35 Hz auch den erforderlichen Energieeintrag für die Mechanochemie.
Die interessanteste Maschine für die Mechanochemie ist die MM 500 control, die es erlaubt, in einem Temperaturbereich von -100 °C bis +100 °C zu arbeiten.
Einfluss von Drehzahl oder Frequenz auf die Ausbeute in der Mechanochemie
In der Mechanochemie sind die Art des Energieeintrags und des Mischens wichtige Faktoren. Planeten-Kugelmühlen nutzen für die Zerkleinerung in erster Linie Reibung, während Schwingmühlen mit Prallwirkung arbeiten. Bestimmte Reaktionen lassen sich in Planeten-Kugelmühlen effektiver durchführen, während andere vom Prall in Schwingmühlen profitieren. Derzeit werden die unterschiedlichen Auswirkungen von Temperatur und Mischeffekten auf mechanochemische Reaktionen untersucht, da die genauen Mechanismen, die diese Reaktionen antreiben, noch nicht vollständig verstanden sind.
Aktuelle Forschungen an der University Utrecht haben gezeigt, dass die Effizienz der Depolymerisation von Polypropylen (PP) durch mechanochemische Prozesse in der Schwingmühle MM 500 vario durch die Optimierung mechanischer Parameter erheblich gesteigert werden kann. Wird die Frequenz erhöht, steigt die Ausbeute an Monomere wie Propen stark an. Dies liegt daran, dass höhere Frequenzen zu häufigeren und energiereicheren Prallereignissen führen, die die Spaltung der Polymerketten beschleunigen. Der Effekt ist stark nichtlinear: Selbst geringe Erhöhungen der Frequenz können zu exponentiellen Steigerungen der Produktausbeute führen, was den Prozess sowohl leistungsstark als auch steuerbar macht. Die höchste Ausbeute wurde bei der maximalen Frequenz von 35 Hz erzielt. [13]
Neben der Frequenz spielen auch die Anzahl und Größe der Mahlkugeln im Mahlbecher eine entscheidende Rolle. Die Verwendung von mehr Kugeln erhöht die Anzahl der Kollisionen, was wiederum die Bildung kleiner Kohlenwasserstoffmoleküle fördert. Es gibt jedoch einen optimalen Bereich, in dem der Prozess am effizientesten ist. Wird dieser Bereich überschritten, verringert eine weitere Erhöhung der Kugelanzahl die Effektivität, da die Bewegung der Kugeln eingeschränkt und der Energietransfer begrenzt wird. Dieser Ansatz bietet eine flexible und energieeffiziente Lösung für die Kreislaufwirtschaft von Kunststoffen.
Programmierung von zwei unterschiedlichen Frequenzen kann Ausbeuten erhöhen
Die sequenzielle Durchführung der Reaktion bei 25 Hz und anschließend bei 35 Hz verbessert die Amin-Bildung deutlich gegenüber einer einzelnen Frequenz. Im ersten Schritt bei 25 Hz reagieren Benzaldehyd und Anilin miteinander und bilden durch Kondensation das Imin als Zwischenprodukt. Im zweiten Schritt bei 35 Hz wird dieses Imin durch zum gewünschten Amin reduziert. Wird nur eine hohe Frequenz verwendet, wird Benzaldehyd direkt zu Benzylalkohol hydriert, was zu unerwünschten Nebenprodukten führt. Bei ausschließlich niedriger Frequenz findet die Hydrierung nicht statt, sodass das Imin nicht zum Amin umgesetzt wird. Die Zweistufen-Methode unterdrückt Nebenreaktionen und ermöglicht einen echten One-Pot-Prozess ohne Zwischenaufbereitung. Insgesamt führt dieser Ansatz zu höheren Ausbeuten und einer besseren Reinheit des gewünschten Amins. [12]
Hochleistungs-Kugelmühlen
Ein hoher Energieeintrag in Kugelmühlen steigert die Mahlleistung erheblich und führt zu einer feineren und homogeneren Partikelgrößenverteilung. Dies ist entscheidend für Anwendungen, bei denen die Qualität des Endprodukts von seiner Partikelgröße und -verteilung abhängt. In der Mechanochemie kann der Energieeintrag zusammen mit der Wirkungsweise, der Temperatur, der Kugelmühlengröße und den Mischeffekten das Reaktionsergebnis beeinflussen. Um Experimente über ein Spektrum von mittleren bis hohen Drehzahlen zu ermöglichen, sind vier RETSCH Kugelmühlen besonders hervorzuheben: PM 300, Emax, MM 500 nano und MM 500 vario. Die Beschleunigung, die diese Mühlen erreichen können, hängt von der Sonnenradgröße und der maximalen Drehzahl (Planeten-Kugelmühlen) bzw. der Amplitude und Frequenz (Schwingmühlen) ab.
Mechanochemische Zerstörung von Forever Chemicals im PM 100
In einer detaillierten Studie untersuchten Gobindlal et al. (2022) [10] die mechanochemische Zerstörung (MCD) von Perfluorsulfonsäuren (PFSAs), einer Unterklasse der persistenten per- und polyfluorierten Alkylsubstanzen (PFASs), unter Verwendung der PM 100.
- Vermahlung: 0,05 g PFAS-Standards wurden mit 5 g Quarzsand in einem 50 ml Mahlbecher aus rostfreiem Stahl mit zehn 10 mm Edelstahlkugeln gemischt.
- Die Vermahlung erfolgte bei Raumtemperatur und -druck ohne Lösungsmittel oder chemische Zusätze. Die Proben wurden unter relativ milden Bedingungen bis zu 720 Minuten lang gemahlen, um die Abbaukinetik zu bewerten und die zugrunde liegenden Abbaumechanismen zu ermitteln.
- Die PM 100 erreichte nach 720 Minuten einen Abbau des gesamten PFSA-Gehalts von 99,99 %. Einzelne Verbindungen wie PFOS, PFHpS, PFHxS, PFPeS und PFBS zeigten einen raschen Abbau, wobei PFBS nach 180 Minuten vollständig zerstört war.
Wirkungsweise:
Quarzsand erzeugt beim Mahlen in der PM 100 reaktive Oberflächenradikale, die den Abbau von PFAS initiieren. Diese Radikale erleichtern die Spaltung der C-F-Bindung, eine der stärksten Bindungen in der organischen Chemie, was zur Mineralisierung von Fluor zu stabilen Si-F-Bindungen führt. Eine weitere Studie derselben Gruppe unterstreicht die Skalierbarkeit und Wirksamkeit von MCD unter Verwendung der Planetenkugelmühle PM 100 von Retsch für die Sanierung von PFAS-kontaminierten Böden und die Zerstörung von gelagerten AFFFs.
Funktionalisierung von Biomasse für pharmazeutische Anwendungen mittels Mechanochemie
Die Mechanochemie verändert die Herstellung funktionaler Biomaterialien grundlegend - kationische Cellulose ist ein herausragendes Beispiel dafür. In einem lösungsmittelfreien Prozess werden Baumwollfasern mit einer katalytischen Base und einem minimalen Zusatzstoff kombiniert und anschließend gemeinsam mit dem kationischen Reagenz in der Mixer Mill MM 400 vermahlen, um die Reaktion zu aktivieren. Dieser Festkörperansatz eliminiert Wasser und flüssige Lösungsmittel vollständig und reduziert den Chemikalieneinsatz und Abfall im Vergleich zu herkömmlichen Methoden drastisch. Nach dem Mahlen vervollständigt ein kurzer Alterungsschritt die Reaktion und liefert hochgeladenen Cellulosefasern mit außergewöhnlicher Leistungsfähigkeit. [14]
Optimale Reaktionsbedingungen: Baumwollfasern wurden in einem 50 ml-Mahlbecher aus Edelstahl mit 3 × 10‑mm‑Kugeln für 5 Minuten bei 25 Hz vermahlen. Anschließend wurde EPTMAC zugegeben und das Gemisch weitere 30 Minuten gemahlen. Die anschließende Alterung der Reaktionsmischung bei 50 °C für 24 h, gefolgt von einer 48‑stündigen Soxhlet‑Extraktion und Gefriertrocknung, führte zur Isolierung von reinem cCF‑Material.
Warum ist das für die Pharmaindustrie spannend?
Diese kationischen Fasern zeigen eine starke elektrostatische Bindung an Viren und ermöglichen damit eine effiziente Entfernung von Krankheitserregern aus Wasser und Prozessströmen – entscheidend für sterile Produktionsumgebungen und Anwendungen der Wasserreinigung. Über die Filtration hinaus bietet das Material Potenzial für den Einsatz in der Arzneimittelverabreichung, auf antimikrobiellen Oberflächen und als Hilfsmittel in biotechnologischen Prozessen. Der Prozess erreicht herausragende Nachhaltigkeitskennzahlen, die mit Prinzipien der Grünen Chemie und branchenspezifischen Umweltzielen übereinstimmen. Zudem erlaubt er eine präzise Kontrolle der Ladungsdichte für maßgeschneiderte Leistungsmerkmale.
Diese Innovation zeigt, wie die Mechanochemie hochwertige, umweltfreundliche Lösungen für die pharmazeutische Produktion ermöglichen kann – und Sicherheit, Effizienz und Nachhaltigkeit in einem einzigen, wegweisenden Ansatz vereint.
Einfluss der Temperatur in der Mechanochemie
In der Mechanochemie hat die Temperatur einen erheblichen Einfluss auf die Reaktionseffizienz und kann sogar die Art der Reaktion bestimmen. Es besteht ein wachsendes Interesse an beheizbaren Mühlen, um das "Beat and Heat"-Konzept umzusetzen, obwohl auch die Kühlung eine Rolle für die Reaktionsergebnisse spielt. In manchen Fällen hat die Temperatur keinen erkennbaren Einfluss. Das Diagramm veranschaulicht die Temperaturbereiche, die von RETSCH-Kugelmühlen abgedeckt werden. Die folgenden Beispiele zeigen den möglichen Einfluss der Temperatur auf chemische Reaktionen.
Kühlung ermöglicht die Stabilisierung von Zwischenprodukten (Derivaten) in der Mechanochemie
Reaktionen mit thermisch instabilen Zwischenprodukten lassen sich präzise steuern, indem man sie bei gleichzeitiger Abkühlung z. B. auf -5 °C in der MM 500 control synthetisiert, wobei die externe Kühlung auf -5 °C eingestellt ist und das Kühlmittel die Thermoplatten und damit auch die Gläser und die Probe aktiv kühlt. Dieser Prozess stabilisiert die thermisch instabilen Zwischenprodukte und erhöht letztlich deren Ausbeute. Das Temperaturmanagement der MM 500 control ermöglicht völlig neue Reaktionen, wie die Synthese von ZIF-8 aus 2-Methylimidazolium und Zinkoxid zeigt.
Die MM 500 control erlaubt eine präzise Steuerung der Produktbildung in mechanochemischen Prozessen durch die Verwendung unterschiedlicher Temperaturniveaus. Durch den Anschluss an einen Kryostaten oder das CryoPad können Reaktionen auch in anderen Temperaturbereichen bis hinunter zu -100 °C stabilisiert werden, was das Potenzial für die Entdeckung neuer Synthesewege und Produkte erheblich erweitert. Das CryoPad dient der Temperaturkontrolle und erlaubt die Regulierung der Temperatur an den Kühlplatten von 0°C bis -100°C.
Die weitere Reaktion zu kat-Zif-8 und dia-ZIF-8 konnte gestoppt werden, sobald die Temperatur der Thermoplatten mit Hilfe eines Chillers auf -5 °C eingestellt wurde. Eine Erhöhung um 5 °C führte zur Bildung des zweiten Zwischenprodukts kat-ZIF-8. Bei einer Temperatur von 20°C an den Thermoplatten wurden alle drei Produkte gefunden. Bei der Synthese ohne Kühlung ist die eigentliche Reaktion abgeschlossen, nur dia-ZIF-8. Ergebnisse präsentiert durch die Arbeitsgruppe von Lars Borchardt. [3]
Erwärmung führt zu anderen Ergebnissen oder schnelleren Reaktionen mit höherer Ausbeute in der Mechanochemie
In der Mechanochemie kann Energiezufuhr durch Wärme für Reaktionen von Vorteil sein und zu besseren Ausbeuten oder anderen Reaktionstypen führen. Es gibt Reaktionswege wie die Suzuki-Miyaura-Kreuzkupplungsreaktion, bei denen eine höhere Temperatur die Reaktion beschleunigt, ähnlich wie in der klassischen Chemie mit Bunsenbrennern. In einem Fall wurden Wärmepistolen eingesetzt, um die Mahlbecher der MM 400 zu erwärmen.
Eine kontrollierte Art der Erwärmung ist mit der MM 500 control möglich, die an einen Kryostaten angeschlossen werden kann. Bei dieser Konfiguration werden die Kühlplatten mit einem Thermofluid auf bis zu 100 °C aufgeheizt, wodurch die Wärme effizient auf die Becher übertragen und die Reaktion erleichtert wird.
Das Diagramm zeigt ein Beispiel für mechanochemische Reaktionen unter Wärmeeinwirkung, nämlich die Reaktion eines primären Amins mit Phthalsäureanhydrid. Wird die MM 500 vario oder die MM 500 control bei Raumtemperatur verwendet, entsteht nur das Monoamid. Dagegen führt eine dreistündige Vermahlung bei 80 °C zur Bildung des gewünschten Imids mit einer isolierten Ausbeute von etwa 75%.
Ein weiteres Beispiel dafür, wie sich die Temperatur auf die Ausbeute mechanochemischer Reaktionen in Kugelmühlen auswirkt, ist die Synthese einer metall-organischen Verbindung in der MM 500 control. Bei 30°C wurde nach 30 Minuten eine maximale Ausbeute von etwa 70% erreicht, ohne dass eine Verlängerung der Mahldauer zu einer Verbesserung geführt hätte. Wurde die Temperatur jedoch mit Hilfe eines Thermostaten auf 60°C gehalten, so erfolgte die nahezu vollständige Reaktion innerhalb von nur 15 Minuten.
Ein zweites Beispiel zeigt den Umsetzungsgrad während einer organischen Reaktion, die im MM 500 control durchgeführt wurde. Allein das Vermahlen der Edukte ohne Erwärmung ergibt nach 2 Stunden nur eine Ausbeute von 10 %. Durch Erhitzen auf 70 °C steigt diese jedoch auf 35 %. Weitere Verbesserungen sind durch Optimierung von Maßstab, Mahlgeschwindigkeit usw. ebenfalls möglich, aber das Erhitzen ist entscheidend, um eine gute Ausbeute zu erzielen.
Wie in diesem Beispiel gezeigt, kann die Temperatur die Art der Reaktion in einer Kugelmühle bestimmen. Durch Regulierung des Temperaturniveaus lassen sich die Reaktion genau steuern und verschiedene Produkte erzielen. Ergebnisse präsentiert durch die Arbeitsgruppe Andrea Porcheddu. [4]
Messsystem GrindControl GrindControl macht sichtbar, was im Mahlbecher passiert – in Echtzeit.
GrindControl macht Prozesse im Mahlbecher in Echtzeit sichtbar. Druck und Temperatur werden kontinuierlich erfasst – für eine sichere, präzise Steuerung, auch bei empfindlichen oder reaktiven Materialien. Reagieren Sie prompt auf unerwartete Druckanstiege, behalten Sie temperaturkritische Proben und sogar mechanochemische Reaktionen jederzeit im Auge.
GrindControl auf einen Blick
- Echtzeit-Daten zu Druck & Temperatur
- Früherkennung kritischer Zustände
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- Reproduzierbare Ergebnisse
Kleine Probenmengen und hoher Probendurchsatz für Screeningzwecke
In der Mechanochemie, in der Pharmazie oder allgemein in der Forschung und Entwicklung werden bei der Prüfung von Reaktionen aufgrund der hohen Kosten oder der begrenzten Verfügbarkeit von Materialien oft nur kleine Probenmengen verwendet. Die Verwendung von kleinen Mahlbechern ist daher von Vorteil. Die kleinsten Bechervolumina für Schwingmühlen sind 1,5 oder 2 ml in Edelstahl, wobei 5 ml oder 10 ml die am häufigsten verwendeten Bechergrößen sind. Für Anwendungen, die Mahlbecher aus Zirkonoxid oder Wolframkarbid erfordern, ist 10 ml die kleinste verfügbare Größe. Um allen Anforderungen gerecht zu werden, bietet RETSCH eine umfassende Auswahl an Adaptern und Multicavity-Bechern an:
- Für die MM 400, MM 500 vario und CryoMill ist ein Adapter erhältlich, der 4 x 5 ml Edelstahl-Mahlbecher aufnimmt und die simultane Bearbeitung von 8, 24 oder 4 Proben ermöglicht.
- 2-ml-Edelstahlröhrchen passen in die Adapter für die MM 400 (20 Proben), MM 500 vario (50 Proben) oder CryoMill (6 Proben).
- Diese 2-ml-Röhrchen können auch mit einem anderen Adaptertyp in der MM 500 nano oder MM 500 control verwendet werden und bieten Platz für 18 Proben pro Charge.
- Edelstahlgefäße sind für kryogene Anwendungen besonders vorteilhaft, da sie nicht brechen wie solche aus Kunststoff.
Darüber hinaus können die MM 500 control und die MM 500 nano 2 x 25 ml oder 4 x 10 ml Multicavity-Becher aufnehmen und so Mahlergebnisse erzielen, die mit den 10 ml oder 25 ml Mahlbechern der MM 400 vergleichbar sind. In Planeten-Kugelmühlen können 12 ml oder 25 ml Mahlgefäße aus Edelstahl verwendet und sogar gestapelt werden, um die Probenmenge zu verdoppeln. Es ist auch ein Adapter für 1,5 ml Glasfläschchen erhältlich, der sich für mechanochemische Anwendungen eignet - mehr dazu im folgenden Abschnitt.
Erfolgreiche mechanochemische Synthese von Bütschliit aus Karbonaten
Ein Molverhältnis von 1:1 von K2CO3 und CaCO3 (Gesamtmasse 0,5 g) wurde in den 5-ml-Gläsern 2 Stunden lang bei 30 Hz gemahlen. Pro Glas wurden 3 x 7 mm Stahlkugeln verwendet, was einem B/P-Verhältnis von 8,4:1 entspricht. Die Reaktion zu Buetschlit K2Ca(CO3)2 war in allen 4 Gläsern erfolgreich und reproduzierbar. Ergebnisse präsentiert von der Gruppe um Claudia Weidenthaler. [8]
Die Lösung für effiziente und nachhaltige Co-Kristall-Synthese
Die TM 300 ist in der Lage, die Anforderungen der modernen pharmazeutischen Herstellung zu erfüllen. Das kann am Beispiel der mechanochemischen Synthese von rac-Ibuprofen:Nicotinamid Co-Kristallen gezeigt werden. Die TM 300 ist eine umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichen lösungsbasierten Methoden. In nur 90 Minuten konnten 3,2 kg Co-Kristalle mit einer Umsetzung von 99 % hergestellt werden. Dabei wurden nur minimale Mengen Ethanol im LAG Verfahren eingesetzt.
Das Diagramm zeigt eine Umwandlung von rac-IBU. Blauer Plot: Mahlverfahren mit Zugabe von 10 kg Kugeln (d = 10 mm) nach 270 Minuten und 10 kg Kugeln (d = 30 mm) nach 360 Minuten; Zugabe des LAG-Zusatzes EtOH nach 510 Minuten. Oranger Plot: LAG-unterstütztes Verfahren mit Zugabe von EtOH vor der Reaktion und 20 kg Kugeln 10 mm. Ergebnisse präsentiert durch die Arbeitsgruppe von Michael Felderhoff [6]
Die TM 300 ermöglicht es, mechanochemische Prozesse auf Kilogramm-Maßstab durchzuführen, was neue Möglichkeiten für nachhaltige industrielle Herstellungsprozesse eröffnet. Besonders interessant ist dabei der minimale Metallabrieb – die gemessenen Werte waren weit unter bedenklichem Maß, und deutlich geringer als beispielsweise in Exzenter Schwingmühlen, die Tabelle zeigt dabei die minimalen Abriebswerte in der TM 300 im Versuchsverlauf.
| Probe | Al [ppm] | Cr [ppm] | Co [ppm] | Fe [ppm] | Ni [ppm] |
|---|---|---|---|---|---|
| Rohstoff IBU | 11.3 | 39.0 | 25.7 | 71.9 | 34.9 |
| Rohstoff Nicotinamid | 8.9 | 33.3 | 26.7 | 40.0 | 33.3 |
| Co-Kristall nach 30 min | 10.8 | 35.9 | 30.8 | 51.3 | 38.5 |
| Nach 60 min | 11.0 | 37.0 | 31.7 | 63.4 | 39.6 |
| Nach 90 min | 17.2 | 43.8 | 35.9 | 64.6 | 45.3 |
Ergebnisse präsentiert durch die Arbeitsgruppe von Michael Felderhoff [6]
Setup:
- 2,03 kg rac IBU; 1,20 kg NIC
- 10 l Trommel für Nassvermahlung,20 kg 10 mm Mahlkugeln rostfreier Stahl
- LAG Zusatz Ethanol 0,1 ml/g
- 60 rpm für 90 min
- 99 % Umsatz
Co-crystal screening
Mit einem speziellen Adapter kann das Co-Kristall-Screening in einer Planeten-Kugelmühle unter Verwendung von Einwegfläschchen wie 1,5 ml GC-Glasfläschen durchgeführt werden.Der Adapter verfügt über 24 Positionen, die sich auf einen äußeren Ring mit 16 Positionen und einen inneren Ring mit 8 Positionen verteilen. Der äußere Ring nimmt bis zu 16 Gefäße auf, so dass bei Verwendung der Planeten-Kugelmühle PM 400 bis zu 64 Proben gleichzeitig gescreent werden können. Die 8 Positionen des inneren Rings eignen sich zur Durchführung von Versuchen mit unterschiedlichem Energieeintrag, z. B. für die Mechanosyntheseforschung.
Dieser Adapter ist für den Einsatz in der PM 100, PM 300 und PM 400 geeignet.
Das Video zeigt die Verwendung von Planetenkugelmühlen für das Co-Kristall-Screening.
Co-crystallization
Co-Crystallization is a method to modify and optimize the properties of active materials (e.g. APIs or catalysts) by aggregation of two or more different chemical entities in a crystalline lattice.
Co-Kristall-Screening mit der MM 400
Co-Kristall-Screening kann effektiv in Schwingmühlen durchgeführt werden. In einer Studie [9] unter Verwendung der MM 400 wurden 2 ml Stahlröhrchen und der entsprechende PTFE-Adapter verwendet, um Theophyllin und Benzamid im Verhältnis 1:1 unter den folgenden Bedingungen zu co-kristallisieren:
- 60 min Mahldauer
- 30 Hz Frequenz
- Eine 6 mm Stahlkugel pro Stahlröhrchen
- Vier Versuche ohne Lösungsmittel und vier mit 20 µl Ethanol
Co-Kristall-Screening kann effektiv in Schwingmühlen durchgeführt werden. In einer Studie [9] unter Verwendung der MM 400 wurden 2 ml Stahlröhrchen und der entsprechende PTFE-Adapter verwendet, um Theophyllin und Benzamid im Verhältnis 1:1 unter den folgenden Bedingungen zu co-kristallisieren:
MM 400: Bereit für in-situ RAMAN-Spektroskopie und lichtinduzierte Reaktionen
Eine neue Funktion des MM 400 wurde mit Blick auf mechanisch-chemische Anwendungen entwickelt: Transparente Mahlbecher sind die Basis für die in-situ RAMAN-Spektroskopie, denn sie ermöglichen die Beobachtung der im Inneren ablaufenden chemischen Reaktionen. Dazu wird das RAMAN-Spektrometer unter den Mahlbechern platziert. Die Abdeckung unterhalb der Becher kann durch Lösen von drei Schrauben leicht entfernt werden. Die Bodenplatte der Mühle hat zwei Öffnungen, durch die das RAMAN-Spektrometer auf den Boden der Mahlbecher zeigt. Mit diesem speziellen Aufbau ist die MM 400 für mechanochemische Zwecke bestens gerüstet. Dank ihrer Transparenz eignen sich die PMMA-Becher auch für die Durchführung photomechanochemischer Reaktionen.
Skalierung mechanochemischer Reaktionen
Schwingmühlen sind ein unverzichtbares Werkzeug für die Durchführung mechanochemischer Versuche. Mit einer maximalen Mahlbechergröße von 125 ml sind ihre Möglichkeiten zur Hochskalierung jedoch begrenzt. Der logische nächste Schritt ist der Einsatz von Planeten-Kugelmühlen, die bis zu vier 500 ml Becher aufnehmen können. Aufgrund der unterschiedlichen Funktionsprinzipien dieser Mühlen ist eine direkte Übertragung erfolgreicher Reaktionen von Schwingmühlen auf Planeten-Kugelmühlen nicht gewährleistet, so dass neue Versuche notwendig sind.
Für höhere Skalierungen bietet RETSCH die Trommelmühlen TM 300 und TM 500 an, die mit Trommeln von bis zu 150 Litern ausgestattet sind. Das Funktionsprinzip der Trommelmühlen unterscheidet sich von dem der Schwingmühlen und Planeten-Kugelmühlen und führt aufgrund der niedrigeren Drehzahlen typischerweise zu einem geringeren Energieeintrag. Erste Skalierungsversuche zeigen vielversprechende Ergebnisse.
Trommelmühlen - Feinzerkleinerung großer Probenmengen
Wenn sich die Trommel der TM 300 dreht, führt die Reibung dazu, dass die Mahlkugeln an der Trommelwand aufsteigen. Der Abstand wächst mit zunehmender Trommeldrehzahl, bis die Zentrifugalkräfte die Schwerkraft übertreffen und die Kugeln während der gesamten Drehung an der Wand haften. Diese Drehzahl wird als "kritische Drehzahl" = NC bezeichnet.
NC = 42.3/{√(D-d)} [Umdrehungen pro Minute]
D = Innendurchmesser der Trommel [m] = 0,3 m für TM 300 [U/min]
d = Kugeldurchmesser [m]
Die kritische Drehzahl liegt bei etwa 80 U/min, variiert jedoch je nach Kugeldurchmesser.
2. Probe
3. Mahlkugeln
4. Drehrichtung
Der TM 300 arbeitet in zwei verschiedenen Modi: Katarakt und Kaskade. Im Katarakt-Modus läuft das Gerät mit etwa 70 % seiner kritischen Geschwindigkeit, was bei der TM 300 ca. 55-60 min-1 entspricht. Diese Drehzahl ermöglicht es den Kugeln, sich weit an der Trommelwand entlang zu bewegen. Obwohl sie die kritische Geschwindigkeit nicht erreichen, lösen sich die Kugeln schließlich von der Wand, bewegen sich über die Trommelmitte hinaus und treffen am Boden der Trommel auf die Probe. Dieses Prinzip ist besonders vorteilhaft für die schnelle Zerkleinerung größerer Partikel.
Im Kaskadenmodus, der bei etwa 50 Umdrehungen pro Minute (weniger als 70 % der kritischen Drehzahl) aktiviert wird, steigen die Kugeln nicht so weit an der Wand hoch. Wenn sie sich lösen, rollen sie eher nach unten, als dass sie über die Mitte der Trommel fliegen, was mehr Reibung als Prall bewirkt.
Befüllungsgrad von Mahlbechern für mechanochemische Anwendungen
Üblicherweise wird ein Massenverhältnis (w/w) von 1:10 verwendet, aber auch 1:5 oder 1:15 sind möglich. Das bedeutet, dass bei Einsatz von 15 g Edukten 150 g Kugeln benötigt werden.
- 150 g = 20 x 10 mm Wolframkarbidkugeln von je 7,75 g.
- Für 20 x 10 mm große Kugeln ist ein Mindestbechervolumen von 50 ml, besser noch 80 ml erforderlich (siehe empfohlene Kugelfüllungen auf den Produktseiten der Planeten-Kugelmühlen).
- 150 g = 5 x 15 mm Wolframkarbidkugeln von je 26,2 g erfordern ein Mahlbechervolumen von mindestens 125 ml.
- 150 g = 11 x 15 mm Kugeln aus rostfreiem Stahl von je 13,9 g erfordern ein Mahlbechervolumen von mindestens 125 ml.
| Mahlbecher Nennvolumen |
Probenmenge | Max. Aufgabegröße | Ø 5 mm* | Ø 7 mm* | Ø 10 mm* | Ø 15 mm* | Ø 20 mm* | Ø 30 mm* |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 12 ml | bis zu ≤ 5 ml | < 1 mm | 50 | 15 | 5 | - | - | - |
| 25 ml | bis zu ≤ 10 ml | < 1 mm | 95 – 100 | 25 – 30 | 10 | - | - | - |
| 50 ml | 5 – 20 ml | < 3 mm | 200 | 50 – 70 | 20 | 7 | 3 – 4 | - |
| 80 ml | 10 – 35 ml | < 4 mm | 250 – 330 | 70 – 120 | 30 – 40 | 12 | 5 | - |
| 125 ml | 15 – 50 ml | < 4 mm | 500 | 110 – 180 | 50 – 60 | 18 | 7 | - |
| 250 ml | 25 – 120 ml | < 6 mm | 1100 – 1200 | 220 – 350 | 100 – 120 | 35 – 45 | 15 | 5 |
| 500 ml | 75 – 220 ml | < 10 mm | 2000 | 440 – 700 | 200 – 230 | 70 | 25 | 8 |
*Empfohlene Kugelfüllungen (in Stück)
Die Tabelle zeigt die empfohlenen Chargen (in Stück) von Mahlkugeln unterschiedlicher Größe im Verhältnis zum Volumen des Mahlbechers, der Probenmenge und der maximalen Aufgabegröße.
Mechanokatalyse mit Schwingmühlen
Aldehyde spielen eine wesentliche Rolle in der chemischen Industrie und sind unverzichtbar für die Produktion von Arzneimitteln, Vitaminen und Parfümen. Die Herausforderung besteht darin, Alkohole selektiv zu Aldehyden zu oxidieren, ohne unerwünschte Nebenprodukte wie Carbonsäuren und Ester zu erzeugen. Viele traditionelle Methoden führen zu Überoxidation und erfordern den Einsatz von Lösungsmitteln sowie umweltschädlichen Chemikalien, was nicht nur gefährliche Abfälle produziert, sondern auch Gesundheitsrisiken für die Anwender birgt. Oftmals sind hohe Temperaturen und Drücke notwendig, die empfindliche Substrate zersetzen können.
Die mechanokatalytische Umsetzung von Alkoholen zu Aldehyden wurde an der Ruhr Universität Bochum gezeigt und die Ergebnisse veröffentlicht [6]. Die Reaktion findet an der Goldoberfläche eines beschichteten 25 ml Mahlbechers in der MM 500 vario innerhalb von 3 h bei 35 Hz statt. Die Goldschicht des Mahlbechers ist dabei lediglich 1 Nanometer dick und der Mahlbecher kann mehrfach verwendet werden. Diese katalytische Reaktion erfolgt direkt in der Kugelmühle, ohne schädliche Lösungsmittel und unter milden Bedingungen, was die Integrität der Substrate schützt. Die Ausbeute von Aldehyden war bei dem mechanokatalytischen Ansatz höher, weniger Nebenprodukte wurden gebildet, als in der klassischen Methode. Bei 35 Hz konnten höhere Ausbeuten erreicht werden als bei 30 Hz.
In-situ-Überwachung einer mechanochemischen Synthesereaktion (MSR)
Die Überwachung der beiden Größen "Druck" und "Temperatur" liefert wertvolle Informationen über das Geschehen im Mahlbecher. Das GrindControl-System von RETSCH wird eingesetzt, um kolloidale oder Langzeit-Mahlprozesse zu steuern oder um Materialsynthesen wie mechanisches Legieren oder andere mechanochemische Prozesse erfolgreich durchzuführen. Das GrindControl-System ist für die Planeten-Kugelmühlen PM 100, PM 300 und PM 400, für die Schwingmühlen MM 500 nano und MM 500 control sowie für die Hochleistungs-Kugelmühle Emax erhältlich. Es besteht aus der Hardware zur Druck- und Temperaturmessung plus einer Analysesoftware.
Die mechanochemische Synthese wurde in einer Schwingmühle MM 500 nano mit einem 125 ml Mahlbecher aus rostfreiem Stahl durchgeführt, der mit GrindControl zur Gas- und Drucküberwachung ausgestattet war. Die elementaren Ausgangsstoffe wurden zusammen mit 32 x 10 mm großen Kugeln aus rostfreiem Stahl in den Mahlbecher gegeben. Die Reaktion wurde unter Luftatmosphäre bei 20 Hz durchgeführt. Der Mahlvorgang wurde gestoppt, als eine plötzliche Veränderung von Temperatur und Druck den erfolgreichen Abschluss der MSR anzeigte.
Das mechanisch induzierte, sich selbst ausbreitende Reaktionsereignis in der Synthese wurde mit dem GrindControl-System überwacht. Nach 20 Sekunden Mahlen kam es zu einer schlagartigen Reaktion, die zu einem Druckanstieg von 0 auf 730 mbar und zu einem Temperaturanstieg führte. Bei dieser Anwendung ermöglichte GrindControl die genaue Beobachtung der Initiierung der Synthese, dem einzigen Parameter, der für die Reaktion von Interesse war. [7]
Chemie in der Mühle: Teflonrecycling (PTFE) mit mechanischer Energie
Mechanochemisches Recycling von PTFE (Teflon)
Die Mechanochemie ermöglicht nicht nur neue Synthesewege, sondern eröffnet auch innovative Ansätze für Recyclingprozesse schwer abbaubarer Materialien. Ein aktuelles Beispiel aus der Forschung zeigt, dass selbst das äußerst stabile Polymer Polytetrafluorethylen (PTFE), besser bekannt als Teflon, mechanochemisch abgebaut werden kann. Ein entscheidender Faktor ist die kontinuierliche mechanische Beanspruchung: Während der Vermahlung mit der RETSCH MM 400 wird die reagierte Oberfläche ständig abgetragen und neue Oberfläche freigelegt. Dadurch kann die Reaktion fortschreiten, bis schließlich ein Großteil des Polymers umgesetzt ist. In der Studie konnten bis zu 98 % des PTFE in Natriumfluorid und elementaren Kohlenstoff überführt werden.
Die entstehenden Produkte lassen sich anschließend weiter nutzen, beispielsweise als Rohstoffe für Batteriematerialien oder als fluorhaltige Bausteine für pharmazeutische und agrochemische Anwendungen.
Bild rechts: Dr. Erli Lu und Dr. Dominik Kubicki mit der Schwingmühle MM 400, die zum Abbau von PFAs eingesetzt wurde. [15]
Deutschlandfunk Forschung aktuell stellte diesen Forschungsansatz und seine Bedeutung für zukünftige Recyclingtechnologien vor.
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Begasungsdeckel von RETSCH
Die Begasungsdeckel wurden entwickelt, um die Effizienz und Sicherheit von Mahlprozessen in Laborumgebungen zu erhöhen. Sie sind besonders vorteilhaft bei der Arbeit mit Materialien, die eine kontrollierte Atmosphäre erfordern, beispielsweise bei der Nassvermahlung oder beim Umgang mit reaktiven Substanzen. In solchen Fällen kann die interne Atmosphäre, einschließlich des Sauerstoffgehalts, durch Spülen des Mahlbechers mit einem Inertgas wie Stickstoff ersetzt werden.
Mithilfe dieser Deckel ist auch die direkte Einleitung von Gasen in den Mahlbecher möglich. Dies ist für bestimmte chemische Reaktionen oder zur Aufrechterhaltung einer inerten Umgebung unerlässlich. Die Mahlbecher können mit bis zu 5 bar Druck begast und dann in der Mühle betrieben werden. Dadurch können Gasmoleküle leichter in die Reaktion während des Mahlvorgangs eingebunden werden.
Darüber hinaus ermöglichen die Begasungsdeckel den direkten Anschluss des Mahlbechers an ein Analysegerät, entweder nach dem Betrieb in einer Planetenkugelmühle oder im Emax oder sogar während des Betriebs im MM 500 nano oder MM 500 control. Diese Konfiguration erleichtert die Analyse von Gasen, die während des Mahlvorgangs freigesetzt werden oder durch chemische Reaktionen entstehen.
Die Deckel sind mit Einsätzen aus verschiedenen Materialien wie Edelstahl, Zirkonoxid und Wolframkarbid ausgestattet. Dadurch kann ein und derselbe Deckel für verschiedene Mahlbechervarianten verwendet werden.
Reproduzierbarkeit mechanochemischer Reaktionen in der Schwingmühle MM 400
Reproduzierbarkeit ist ein grundlegendes Prinzip der wissenschaftlichen Forschung und unerlässlich, um die Glaubwürdigkeit und Zuverlässigkeit wissenschaftlicher Ergebnisse zu garantieren. Die Reproduzierbarkeit innerhalb einer mechanochemischen Reaktion in der Schwingmühle MM 400 wurde untersucht, mit dem Ergebnis, dass eine hervorragende Reproduzierbarkeit bei mehreren Wiederholungen, für beide Mahlstellen und auch zwischen verschiedenen Geräten gewährleistet ist. [8]
Geringfügige Änderungen der Frequenz von 30 Hz auf 29 Hz bzw. 28 Hz beeinflussen die Ausbeute der Reaktion. Es ist wichtig, dass die Schwingmühle einen eingestellten Wert, z.B. 30 Hz, konstant hält und nicht davon abweicht. Diese Voraussetzung erfüllt die MM 400, die mit einem Kalibrierzertifikat geliefert wird.
Die mechanochemische Reaktion γ-Al2O3 + ZnO -> ZnAl2O4 wurde 30 Minuten lang in 25-ml-Mahlbechern mit 2 x 15 mm Mahlkugeln, 1 g Edukten, bei 28 Hz, 29 Hz und 30 Hz fünf Mal durchgeführt. Der Vergleich zwischen linker und rechter Mahlstelle zeigt eine hohe Reproduzierbarkeit, ebenso der Vergleich zwischen den 5 Versuchen.
XRD-Muster nach der mechanochemischen Reaktion γ-Al2O3 + ZnO -> ZnAl2O4: Links: Vermahlung bei 28 Hz, 29 Hz und 30 Hz, Ergebnisse nach der fünften Reaktion. Mitte: Vergleich linke und rechte Mahlstation, 5. Reaktion bei je 28 Hz. Rechts: Reaktion 1 bis 5 bei 30 Hz, rechte Mahlstelle. Ergebnisse präsentiert durch die Arbeitsgruppe von Claudia Weidenthaler. [8]
Die Versuche wurden mit einer anderen MM 400 Schwingmühle wiederholt, um die Ergebnisse zwischen den beiden Mühlen zu vergleichen. Auch hier wurde die hervorragende Reproduzierbarkeit für die 5 Reaktionen bei 30 Hz sowohl für die linke als auch für die rechte Mahlstation bestätigt.
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White Paper und Fachberichte zum Thema
Mechanochemie: Ein Baustein für die Entwicklung einer nachhaltigeren Zukunft
Im Hinblick auf Nachhaltigkeit und grüne Chemie bietet die Mechanochemie schnelle Reaktionen in einer lösungsmittelfreien Umgebung. Die Massenproduktivität übersteigt oft die der lösungsmittelbasierten Reaktionsäquivalente, und die Aufarbeitungsverfahren sind im Allgemeinen einfacher. Neben der thermischen, elektrochemischen und photochemischen Energiezufuhr wird bei einer weniger bekannten Form der Mechanochemie die Energie durch Prall- und Scherkräfte eingetragen; üblicherweise werden zur Durchführung dieser Reaktionen Kugelmühlen verwendet. Dieser Artikel beschreibt wie Schwingmühlen und Planeten-Kugelmühlen erfolgreich für mechanochemische Prozesse eingesetzt werden.
Reproduzierbarkeit mechanochemischer Reaktionen in der Schwingmühle MM 400
Zuverlässige Ergebnisse können nur mit zuverlässigen Geräten erzielt werden. Die Schwingmühle MM 400 ist bekannt für ihre einfache Handhabung und die schnelle Vermahlung von Proben vor der Analyse. Bei der Durchführung verschiedener mechanochemischer Reaktionen konnte belegt werden, dass die MM 400 reproduzierbare Ergebnisse für beide Mahlstationen mit minimalen Standardabweichungen zwischen verschiedenen Prozessen liefert. Dies ist auf die gleichbleibende Frequenz zurückzuführen, die in den Prozessen über die Zeit stabil und reproduzierbar ist. Es konnte zudem gezeigt werden, dass die mit verschiedenen MM 400 Modellen erzielten Ergebnisse ebenfalls reproduzierbar sind.
White Paper: Mechanisches Legieren mit der Hochleistungs-Kugelmühle Emax
Legierungen wie zum Beispiel Amalgam in der Zahnmedizin oder rostfreier Stahl kennt und nutzt jeder. Bei der Herstellung von Legierungen auf klassischem Weg werden die Legierungspartner bei sehr hohen Temperaturen miteinander verschmolzen. Sind nur kleine Mengen erforderlich oder können die Legierungen nicht durch Einschmelzen erzeugt werden, bietet sich das mechanische Legieren als Alternative an. Hierfür werden Kugelmühlen eingesetzt, welche durch Prall- und Reibungseffekte hohe Energieeinträge liefern.
From Screening to upscaling - Solutions for CO-Grinding
Different crystalline forms of a drug, known as polymorphs play a crucial role in the pharmaceutical industry, as they can significantly impact the physical and chemical properties of a drug, such as solubility, stability, and bioavailability, These polymorphs can exhibit varying characteristics, which can influence the drug's performance and effectiveness. Polymorph screening is an essential process in drug development, as it helps identify stable forms of a drug with desirable properties, ultimately improving drug formulation and performance.
Green Cement - How Ball Milling Activates Clay for A Sustainable Future
The construction industry is rapidly evolving to meet the demands of sustainability, and green cement is at the forefront of this transformation. Traditional cement production is one of the largest sources of CO₂ emissions, mainly due to the energyintensive process of heating limestone and burning fossil fuels. Green cement tackles this issue by incorporating Supplementary Cementitious Materials (SCMs), such as activated clays, fly ash, and slag, which replace part of the conventional clinker - the primary source of emissions in cement. Activated clays are especially promising: they are abundant, locally available, and, when properly processed, can significantly reduce the carbon footprint of cement production.
Mechanochemistry: Preparation of Graphite for Adsorbing Hydrocarbons
Oil spills in the sea represent a serious threat to aquatic systems, affecting marine life, contaminating shores, and disrupting ecological balances. Therefore, it is essential to develop effective solutions to mitigate this problem. In this video, we will explore an innovative alternative for the preparation of expanded graphite, a material with a high capacity for adsorbing hydrocarbons in water.
Real-time tracking of mechanochemical reaction dynamics
Mechanochemical synthesis is an innovative method used to produce new materials and phases by initiating chemical reactions through the application of mechanical energy, resulting in unique properties and structures. One example of this is the mechanochemically induced self-propagating reaction (MSR). In an MSR, the reaction - once initiated - releases heat and rapidly spreads through the material in an exothermic process. Monitoring temperature and pressure during such reactions provides valuable insights into their initiation and progression.
Referenzen
[1] Wilm Pickhardt, Claudio Beakovic, Maike Mayer, Maximilian Wohlgemuth, Fabien Joel Leon Kraus, Martin Etter, Sven Grätz und Lars Borchardt: The direct Mechanocatalytic Suzuki-Miyaura Reaction of small organic molecule. Angew. Chem. Int. Ed. 2022, e202205003.
[2] Ma, X., Yuan, W., Bell, S. E., & James, S. L. (2014). Better understanding of mechanochemical reactions: Raman monitoring reveals surprisingly simple ‘pseudofluid’ model for a ball milling reaction. Chemical Communications, 50(13), 1585-1587.
[3] Reaktionsschema und Durchführung der Experimente: Dr. Sven Grätz, Ruhr-University Bochum, Fakultät für Chemie und Biochemie, AG Prof. Borchardt.
[4] Reaktionsschema und Durchführung der Experimente: Prof. Andrea Porcheddu, University of Cagliari, Chemical and Geological Science Department (Italy).
[5] Reaktionsschema und Durchführung der Experimente: Prof. Stuart James, Queens University Belfast, School of Chemistry and Chemical Engineering (UK).
[6] Jan-Hendrik Schöbel, Frederik Winkelmann, Joel Bicker und Michael Felderhoff; Mechanochemical kilogram-scale synthesis of rac:ibuprofen:nicotinamide co-crystals using a drum mill; RSC Mechanochemistry, 2025, DOI: 10.1039/D4MR00096J
[7] Maximilian Wohlgemuth, Sarah Schmidt, Maike Mayer, Wilm Pickhardt, Sven Graetz und Lars Borchardt, Solid-State Oxidation of Alcohols in Gold-Coated Milling Vessels via Direct Mechanocatalysis. Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202405342.
[8] Reaktionsschema und Durchführung der Experimente: Prof. Dr. Claudia Weidenthaler, Research Group Leader Heterogeneous Catalysis Powder Diffraction and Surface Spectroscopy, Max-Planck Institut für Kohlenforschung, Mülheim an der Ruhr.
{LL::products.mm400.cocrystal.dominik.da.reference}}
[10] Kapish Gobindlal, Zoran Zujovic, Jacob Jaine, Cameron C. Weber, Jonathan Sperry; Lösungsmittelfreie Zerstörung von PFSAs bei Umgebungstemperatur und -druck unter MCD präsentiert eine detaillierte Studie zur mechanochemischen Zerstörung (MCD) von Perfluorsulfonsäuren (PFSAs), Environmental Science & Technology 2023, DOI: 10.1021/acs.est.2c06673.
[11] Aufnahme des Videos und Durchführung der Experimente: Imelda Octa Tampubolon (Doktorandin) und Matej Baláž (leitender Forscher, beide Institut für Geotechnik, Slowakische Akademie der Wissenschaften) sowie Tomislav Stolar (Postdoktorand, Abteilung 6.3 – Strukturanalyse, Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), Berlin). Das Experiment wurde bei der BAM durchgeführt.
[12] Maximilian Wohlgemuth, Sarah Schmidt, Lars Beißel and Lars Borchardt; Ligand-free reductive amination via Pd-coated mechanocatalysis. The Royal Society of Chemistry 2025, DOI: 10.1039/d5cc04707b.
[13] Adrian H. Hergesell, Claire L. Seitzinger, Justin Burg, Renate J. Baarslag and Ina Vollmer; Influence of ball milling parameters on the mechano-chemical conversion of polyolefins. The Royal Society of Chemistry 2025, DOI: 10.1039/d4mr00098f
[14] Tatsiana Nikonovich, Yao Yu, Mikko Korkiakoski, Chengji Yang, Iris Seitz, Daniel Langerreiter, Mauri A. Kostiainen, Eduardo Anaya-Plaza, and Sandra Kaabel; Solid-State Synthesis of Cationic Cellulose Fibers from Low-Processed Cotton for Efficient Virus Capture; ACS Sustainable Chemistry & Engineering 2025 13 (42), DOI: 10.1021/acssuschemeng.5c07884[15] With permission of Dr Erli Lu, Associate Professor in Mechanochemistry & Sustainable Synthesis School of Chemistry, University of Birmingham