Diolch i chi am ymweld â Nature.com. Mae gan y fersiwn porwr rydych chi'n ei ddefnyddio gefnogaeth CSS gyfyngedig. I gael y profiad gorau, rydym yn argymell eich bod chi'n defnyddio porwr wedi'i ddiweddaru (neu'n analluogi Modd Cydnawsedd yn Internet Explorer). Yn y cyfamser, er mwyn sicrhau cefnogaeth barhaus, byddwn yn rendro'r wefan heb arddulliau a JavaScript.
Carwsél yn dangos tair sleid ar yr un pryd. Defnyddiwch y botymau Blaenorol a Nesaf i symud trwy dair sleid ar y tro, neu defnyddiwch y botymau llithrydd ar y diwedd i symud trwy dair sleid ar y tro.
Mae gweithgynhyrchu ychwanegol yn newid y ffordd y mae ymchwilwyr a diwydianwyr yn dylunio ac yn cynhyrchu dyfeisiau cemegol i ddiwallu eu hanghenion penodol. Yn y papur hwn, rydym yn adrodd yr enghraifft gyntaf o adweithydd llif a ffurfiwyd trwy lamineiddio gweithgynhyrchu ychwanegol uwchsonig (UAM) o ddalen fetel solet gyda rhannau catalytig ac elfennau synhwyro wedi'u hintegreiddio'n uniongyrchol. Nid yn unig y mae technoleg UAM yn goresgyn llawer o'r cyfyngiadau sy'n gysylltiedig ar hyn o bryd â gweithgynhyrchu ychwanegol adweithyddion cemegol, ond mae hefyd yn ehangu galluoedd dyfeisiau o'r fath yn fawr. Mae nifer o gyfansoddion 1,2,3-triasol 1,4-di-amnewidiol pwysig yn fiolegol wedi'u syntheseiddio a'u optimeiddio'n llwyddiannus trwy adwaith cycloaddition Huisgen 1,3-dipolar wedi'i gyfryngu gan Cu gan ddefnyddio'r cyfleuster cemeg UAM. Gan ddefnyddio priodweddau unigryw UAM a phrosesu llif parhaus, mae'r ddyfais yn gallu cataleiddio adweithiau parhaus yn ogystal â darparu adborth amser real i fonitro ac optimeiddio adweithiau.
Oherwydd ei fanteision sylweddol dros ei gymar swmp, mae cemeg llif yn faes pwysig a chynyddol mewn lleoliadau academaidd a diwydiannol oherwydd ei allu i gynyddu detholiad ac effeithlonrwydd synthesis cemegol. Mae hyn yn ymestyn o ffurfio moleciwlau organig syml1 i gyfansoddion fferyllol2,3 a chynhyrchion naturiol4,5,6. Gall dros 50% o adweithiau yn y diwydiannau cemegol mân a fferyllol elwa o lif parhaus7.
Yn ystod y blynyddoedd diwethaf, bu tuedd gynyddol o grwpiau'n ceisio disodli gwydr traddodiadol neu offer cemeg llif gydag "adweithyddion" cemegol addasadwy8. Mae'r dyluniad iterus, y gweithgynhyrchu cyflym, a'r galluoedd tri dimensiwn (3D) o'r dulliau hyn yn ddefnyddiol i'r rhai sydd am addasu eu dyfeisiau ar gyfer set benodol o adweithiau, dyfeisiau neu amodau. Hyd yn hyn, mae'r gwaith hwn wedi canolbwyntio bron yn gyfan gwbl ar ddefnyddio technegau argraffu 3D sy'n seiliedig ar bolymer fel stereolithograffeg (SL)9,10,11, Modelu Dyddodiad Cyfunedig (FDM)8,12,13,14 ac argraffu incjet7,15,16. Mae diffyg dibynadwyedd a gallu dyfeisiau o'r fath i gyflawni ystod eang o adweithiau/dadansoddiadau cemegol17, 18, 19, 20 yn ffactor cyfyngu mawr ar gyfer cymhwyso AM yn ehangach yn y maes hwn17, 18, 19, 20.
Oherwydd y defnydd cynyddol o gemeg llif a'r priodweddau ffafriol sy'n gysylltiedig ag AM, mae angen archwilio technegau gwell a fydd yn caniatáu i ddefnyddwyr gynhyrchu llestri adwaith llif gyda galluoedd cemeg a dadansoddol gwell. Dylai'r dulliau hyn ganiatáu i ddefnyddwyr ddewis o ystod o ddeunyddiau cryfder uchel neu swyddogaethol sy'n gallu gweithredu o dan ystod eang o amodau adwaith, yn ogystal â hwyluso gwahanol ffurfiau o allbwn dadansoddol o'r ddyfais i alluogi monitro a rheoli'r adwaith.
Un broses weithgynhyrchu ychwanegol y gellir ei defnyddio i ddatblygu adweithyddion cemegol wedi'u teilwra yw Gweithgynhyrchu Ychwanegol Ultrasonic (UAM). Mae'r dull lamineiddio dalennau cyflwr solet hwn yn rhoi dirgryniadau uwchsonic ar ffoiliau metel tenau i'w bondio gyda'i gilydd haen wrth haen gyda gwresogi cyfaint lleiaf a gradd uchel o lif plastig 21, 22, 23. Yn wahanol i'r rhan fwyaf o dechnolegau AM eraill, gellir integreiddio UAM yn uniongyrchol â chynhyrchu tynnu, a elwir yn broses weithgynhyrchu hybrid, lle mae melino rheoli rhifiadol in-situ (CNC) cyfnodol neu brosesu laser yn pennu siâp net yr haen o ddeunydd wedi'i fondio 24, 25. Mae hyn yn golygu nad yw'r defnyddiwr wedi'i gyfyngu i'r problemau sy'n gysylltiedig â chael gwared ar ddeunydd adeiladu gwreiddiol gweddilliol o sianeli hylif bach, sy'n aml yn wir mewn systemau powdr a hylif AM26,27,28. Mae'r rhyddid dylunio hwn hefyd yn ymestyn i'r dewis o ddeunyddiau sydd ar gael - gall UAM fondio cyfuniadau o ddeunyddiau tebyg ac annhebyg yn thermol mewn un cam proses. Mae'r dewis o gyfuniadau deunydd y tu hwnt i'r broses doddi yn golygu y gellir bodloni gofynion mecanyddol a chemegol cymwysiadau penodol yn well. Yn ogystal â bondio solet, ffenomen arall sy'n digwydd gyda bondio uwchsonig yw hylifedd uchel deunyddiau plastig ar dymheredd cymharol isel29,30,31,32,33. Mae'r nodwedd unigryw hon o UAM yn caniatáu i elfennau mecanyddol/thermol gael eu gosod rhwng haenau metel heb ddifrod. Gall synwyryddion UAM mewnosodedig hwyluso cyflwyno gwybodaeth amser real o'r ddyfais i'r defnyddiwr trwy ddadansoddeg integredig.
Dangosodd gwaith blaenorol gan yr awduron32 allu'r broses UAM i greu strwythurau microfluidig ​​3D metelaidd gyda galluoedd synhwyro mewnosodedig. At ddibenion monitro yn unig y mae'r ddyfais hon. Mae'r erthygl hon yn cyflwyno'r enghraifft gyntaf o adweithydd cemegol microfluidig ​​a weithgynhyrchir gan UAM, dyfais weithredol sydd nid yn unig yn rheoli ond hefyd yn ysgogi synthesis cemegol gyda deunyddiau catalytig integredig yn strwythurol. Mae'r ddyfais yn cyfuno sawl mantais sy'n gysylltiedig â thechnoleg UAM wrth gynhyrchu dyfeisiau cemegol 3D, megis: y gallu i drosi dyluniad 3D cyflawn yn uniongyrchol o fodel dylunio â chymorth cyfrifiadur (CAD) yn gynnyrch; cynhyrchu aml-ddeunydd ar gyfer cyfuniad o ddargludedd thermol uchel a deunyddiau catalytig, yn ogystal â synwyryddion thermol wedi'u mewnosod yn uniongyrchol rhwng ffrydiau'r adweithyddion ar gyfer rheoli a rheoli tymheredd yr adwaith yn fanwl gywir. I ddangos ymarferoldeb yr adweithydd, syntheseiddiwyd llyfrgell o gyfansoddion 1,2,3-triasol 1,4-di-amnewidiol fferyllol gan gylchdroadiad Huisgen 1,3-dipolar wedi'i gatalyddu gan gopr. Mae'r gwaith hwn yn tynnu sylw at sut y gall defnyddio gwyddor deunyddiau a dylunio â chymorth cyfrifiadur agor posibiliadau a chyfleoedd newydd ar gyfer cemeg trwy ymchwil ryngddisgyblaethol.
Prynwyd yr holl doddyddion ac adweithyddion gan Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI, neu Fischer Scientific a'u defnyddio heb buro ymlaen llaw. Cafwyd sbectrwm NMR 1H a 13C a gofnodwyd ar 400 a 100 MHz, yn y drefn honno, ar sbectromedr JEOL ECS-400 400 MHz neu sbectromedr Bruker Avance II 400 MHz gyda CDCl3 neu (CD3)2SO3 fel toddydd. Perfformiwyd yr holl adweithiau gan ddefnyddio platfform cemeg llif Uniqsis FlowSyn.
Defnyddiwyd UAM i gynhyrchu'r holl ddyfeisiau yn yr astudiaeth hon. Dyfeisiwyd y dechnoleg ym 1999 a gellir astudio ei manylion technegol, ei pharamedrau gweithredu a'i datblygiadau ers ei dyfeisio gan ddefnyddio'r deunyddiau cyhoeddedig canlynol34,35,36,37. Gweithredwyd y ddyfais (Ffig. 1) gan ddefnyddio system UAM SonicLayer 4000® dyletswydd trwm 9 kW (Fabrisonic, Ohio, UDA). Y deunyddiau a ddewiswyd ar gyfer y ddyfais llif oedd Cu-110 ac Al 6061. Mae gan Cu-110 gynnwys copr uchel (o leiaf 99.9% copr), gan ei wneud yn ymgeisydd da ar gyfer adweithiau wedi'u catalyddu gan gopr ac felly fe'i defnyddir fel "haen weithredol y tu mewn i'r micro-adweithydd. Defnyddir Al 6061 O fel y deunydd "swmp". , yn ogystal â'r haen rhyngosod a ddefnyddir ar gyfer dadansoddi; rhyngosod cydrannau aloi ategol a chyflwr aneledig mewn cyfuniad â'r haen Cu-110. canfuwyd ei fod yn gemegol sefydlog gyda'r adweithyddion a ddefnyddiwyd yn y gwaith hwn. Ystyrir bod Al 6061 O mewn cyfuniad â Cu-110 hefyd yn gyfuniad deunydd cydnaws ar gyfer UAM ac felly mae'n ddeunydd addas ar gyfer yr astudiaeth hon38,42. Rhestrir y dyfeisiau hyn yn Nhabl 1 isod.
Camau gwneuthuriad adweithydd (1) swbstrad aloi alwminiwm 6061 (2) Gwneuthuriad sianel isaf o ffoil copr (3) Mewnosod thermocyplau rhwng haenau (4) Sianel uchaf (5) Mewnfa ac allfa (6) Adweithydd monolithig.
Athroniaeth dylunio'r sianel hylif yw defnyddio llwybr troellog i gynyddu'r pellter y mae'r hylif yn ei deithio y tu mewn i'r sglodion wrth gynnal maint y sglodion y gellir ei reoli. Mae'r cynnydd hwn mewn pellter yn ddymunol i gynyddu amser cyswllt y catalydd-adweithydd a darparu cynnyrch cynnyrch rhagorol. Mae'r sglodion yn defnyddio plygiadau 90° ar bennau llwybr syth i ysgogi cymysgu cythryblus o fewn y ddyfais44 a chynyddu amser cyswllt yr hylif â'r wyneb (catalydd). Er mwyn gwella'r cymysgu y gellir ei gyflawni ymhellach, mae dyluniad yr adweithydd yn cynnwys dau fewnfa adweithydd wedi'u cyfuno mewn cysylltiad Y cyn mynd i mewn i'r adran coil cymysgu. Mae'r drydedd fynedfa, sy'n croesi'r llif hanner ffordd trwy ei breswylfa, wedi'i chynnwys yn y cynllun ar gyfer adweithiau synthesis aml-gam yn y dyfodol.
Mae gan bob sianel broffil sgwâr (dim onglau tapr), sy'n ganlyniad i'r melino CNC cyfnodol a ddefnyddir i greu geometreg y sianel. Dewisir dimensiynau'r sianel i ddarparu cynnyrch cyfeintiol uchel (ar gyfer micro-adweithydd), ond yn ddigon bach i hwyluso rhyngweithio â'r wyneb (catalyddion) ar gyfer y rhan fwyaf o'r hylifau y mae'n eu cynnwys. Mae'r maint priodol yn seiliedig ar brofiad blaenorol yr awduron gyda dyfeisiau adwaith metel-hylif. Dimensiynau mewnol y sianel derfynol oedd 750 µm x 750 µm a chyfanswm cyfaint yr adweithydd oedd 1 ml. Mae cysylltydd adeiledig (edau 1/4″-28 UNF) wedi'i gynnwys yn y dyluniad i ganiatáu rhyngwynebu hawdd y ddyfais ag offer cemeg llif masnachol. Mae maint y sianel wedi'i gyfyngu gan drwch y deunydd ffoil, ei briodweddau mecanyddol, a'r paramedrau bondio a ddefnyddir gydag uwchsonig. Ar led penodol ar gyfer deunydd penodol, bydd y deunydd yn "sago" i'r sianel a grëwyd. Ar hyn o bryd nid oes model penodol ar gyfer y cyfrifiad hwn, felly pennir y lled sianel mwyaf ar gyfer deunydd a dyluniad penodol yn arbrofol, ac os felly ni fydd lled o 750 µm yn achosi sag.
Pennir siâp (sgwâr) y sianel gan ddefnyddio torrwr sgwâr. Gellir newid siâp a maint y sianeli ar beiriannau CNC gan ddefnyddio gwahanol offer torri i gael gwahanol gyfraddau llif a nodweddion. Gellir dod o hyd i enghraifft o greu sianel grom gydag offeryn 125 µm yn Monaghan45. Pan roddir yr haen ffoil yn wastad, bydd gan gymhwyso'r deunydd ffoil i'r sianeli arwyneb gwastad (sgwâr). Yn y gwaith hwn, defnyddiwyd cyfuchlin sgwâr i gadw cymesuredd y sianel.
Yn ystod saib wedi'i raglennu mewn cynhyrchu, mae synwyryddion tymheredd thermocwl (math K) wedi'u hadeiladu'n uniongyrchol i'r ddyfais rhwng y grwpiau sianel uchaf ac isaf (Ffig. 1 – cam 3). Gall y thermocwlau hyn reoli newidiadau tymheredd o -200 i 1350 °C.
Mae'r broses dyddodi metel yn cael ei chyflawni gan y corn UAM gan ddefnyddio ffoil fetel 25.4 mm o led a 150 micron o drwch. Mae'r haenau hyn o ffoil wedi'u cysylltu mewn cyfres o stribedi cyfagos i orchuddio'r ardal adeiladu gyfan; mae maint y deunydd a ddyddodir yn fwy na'r cynnyrch terfynol gan fod y broses dynnu yn creu'r siâp glân terfynol. Defnyddir peiriannu CNC i beiriannu cyfuchliniau allanol a mewnol yr offer, gan arwain at orffeniad wyneb yr offer a'r sianeli sy'n cyfateb i'r offeryn a'r paramedrau proses CNC a ddewiswyd (yn yr enghraifft hon, tua 1.6 µm Ra). Defnyddir cylchoedd chwistrellu a pheiriannu deunydd uwchsonig parhaus, parhaus drwy gydol proses weithgynhyrchu'r ddyfais i sicrhau bod cywirdeb dimensiynol yn cael ei gynnal a bod y rhan orffenedig yn bodloni lefelau manwl gywirdeb melino mân CNC. Mae lled y sianel a ddefnyddir ar gyfer y ddyfais hon yn ddigon bach i sicrhau nad yw'r deunydd ffoil yn "sago" yn y sianel hylif, felly mae gan y sianel groestoriad sgwâr. Penderfynwyd bylchau posibl yn y deunydd ffoil a pharamedrau'r broses UAM yn arbrofol gan y partner gweithgynhyrchu (Fabrisonic LLC, UDA).
Mae astudiaethau wedi dangos nad oes llawer o drylediad elfennau ar ryngwyneb 46, 47 y cyfansoddyn UAM heb driniaeth wres ychwanegol, felly ar gyfer y dyfeisiau yn y gwaith hwn mae'r haen Cu-110 yn parhau i fod yn wahanol i'r haen Al 6061 ac yn newid yn sylweddol.
Gosodwch reoleiddiwr pwysau cefn (BPR) wedi'i galibro ymlaen llaw ar 250 psi (1724 kPa) i lawr yr afon o'r adweithydd a phwmpiwch ddŵr trwy'r adweithydd ar gyfradd o 0.1 i 1 ml min-1. Monitrwyd pwysau'r adweithydd gan ddefnyddio'r trawsddygiwr pwysau FlowSyn a adeiladwyd yn y system i sicrhau y gallai'r system gynnal pwysau cyson. Profwyd graddiannau tymheredd posibl yn yr adweithydd llif trwy chwilio am unrhyw wahaniaethau rhwng y thermocyplau a adeiladwyd yn yr adweithydd a'r thermocyplau a adeiladwyd ym mhlât gwresogi'r sglodion FlowSyn. Cyflawnir hyn trwy newid tymheredd y plât poeth wedi'i raglennu rhwng 100 a 150 °C mewn cynyddrannau o 25 °C a monitro unrhyw wahaniaethau rhwng y tymereddau wedi'u rhaglennu a'u cofnodi. Cyflawnwyd hyn gan ddefnyddio'r cofnodwr data tc-08 (PicoTech, Caergrawnt, DU) a'r feddalwedd PicoLog sy'n cyd-fynd ag ef.
Mae'r amodau ar gyfer yr adwaith cycloaddisiwn o phenylacetylen ac iodoethane wedi'u optimeiddio (Cynllun 1-Cyclosodiad o phenylacetylen ac iodoethane, Cynllun 1-Cyclosodiad o phenylacetylen ac iodoethane). Perfformiwyd yr optimeiddio hwn gan ddefnyddio dull dylunio ffactoraidd llawn o arbrofion (DOE), gan ddefnyddio tymheredd ac amser preswylio fel newidynnau wrth osod y gymhareb alcin:asid ar 1:2.
Paratowyd toddiannau ar wahân o sodiwm asid (0.25 M, 4:1 DMF:H2O), ïodoethan (0.25 M, DMF), a phenylacetylen (0.125 M, DMF). Cymysgwyd aliquot 1.5 ml o bob toddiant a'i bwmpio trwy'r adweithydd ar y gyfradd llif a'r tymheredd a ddymunir. Cymerwyd ymateb y model fel cymhareb arwynebedd brig y cynnyrch triasol i'r deunydd cychwyn o phenylacetylen a phenderfynwyd arno gan ddefnyddio cromatograffaeth hylif perfformiad uchel (HPLC). Er mwyn cysondeb dadansoddi, cymerwyd yr holl adweithiau yn syth ar ôl i'r cymysgedd adwaith adael yr adweithydd. Dangosir yr ystodau paramedr a ddewiswyd ar gyfer optimeiddio yn Nhabl 2.
Dadansoddwyd yr holl samplau gan ddefnyddio system HPLC Chromaster (VWR, PA, UDA) yn cynnwys pwmp cwaternaidd, popty colofn, synhwyrydd UV tonfedd amrywiol ac awtosampler. Roedd y golofn yn Equivalence 5 C18 (VWR, PA, UDA), 4.6 x 100 mm, maint gronynnau 5 µm, wedi'i chynnal ar 40°C. Y toddydd oedd methanol:dŵr isocrataidd 50:50 ar gyfradd llif o 1.5 ml·mun-1. Roedd cyfaint y chwistrelliad yn 5 μl a thonfedd y synhwyrydd yn 254 nm. Cyfrifwyd % arwynebedd brig y sampl DOE o arwynebeddau brig y cynhyrchion alcin a thriasol gweddilliol yn unig. Mae cyflwyno'r deunydd cychwyn yn ei gwneud hi'n bosibl nodi'r copaon cyfatebol.
Drwy gyfuno canlyniadau'r dadansoddiad o'r adweithydd â meddalwedd MODDE DOE (Umetrics, Malmö, Sweden) llwyddwyd i wneud dadansoddiad trylwyr o'r tueddiadau a phennu'r amodau adwaith gorau posibl ar gyfer y cycloaddition hwn. Mae rhedeg yr optimeiddiwr adeiledig a dewis yr holl dermau model pwysig yn creu set o amodau adwaith a gynlluniwyd i wneud y mwyaf o arwynebedd brig y cynnyrch wrth leihau arwynebedd brig y deunydd crai asetylen.
Cyflawnwyd ocsidiad arwyneb y copr yn y siambr adwaith catalytig gan ddefnyddio hydoddiant hydrogen perocsid (36%) yn llifo trwy'r siambr adwaith (cyfradd llif = 0.4 ml mun-1, amser preswylio = 2.5 mun) cyn synthesis pob cyfansoddyn triasol. llyfrgell.
Unwaith y penderfynwyd ar y set orau o amodau, cawsant eu cymhwyso i ystod o ddeilliadau asetylen a haloalcan i ganiatáu llunio llyfrgell synthesis fach, a thrwy hynny sefydlu'r posibilrwydd o gymhwyso'r amodau hyn i ystod ehangach o adweithyddion posibl (Ffig. 1). 2).
Paratowch doddiannau ar wahân o sodiwm asid (0.25 M, 4:1 DMF:H2O), haloalcanau (0.25 M, DMF), ac alcinau (0.125 M, DMF). Cymysgwyd darnau bach o 3 ml o bob toddiant a'u pwmpio drwy'r adweithydd ar gyfradd o 75 µl/mun a thymheredd o 150°C. Casglwyd y gyfaint cyfan mewn ffiol a'i wanhau â 10 ml o ethyl asetad. Golchwyd y toddiant sampl â 3 x 10 ml o ddŵr. Cyfunwyd yr haenau dyfrllyd a'u tynnu â 10 ml o ethyl asetad, yna cyfunwyd yr haenau organig, eu golchi â 3 × 10 ml o heli, eu sychu dros MgSO4 a'u hidlo, yna tynnwyd y toddydd mewn gwactod. Purowyd samplau trwy gromatograffaeth colofn silica gel gan ddefnyddio ethyl asetad cyn eu dadansoddi trwy gyfuniad o HPLC, 1H NMR, 13C NMR a sbectrometreg màs cydraniad uchel (HR-MS).
Cafwyd yr holl sbectrwm gan ddefnyddio sbectromedr màs Thermofischer Precision Orbitrap gydag ESI fel y ffynhonnell ïoneiddio. Paratowyd yr holl samplau gan ddefnyddio asetonitril fel toddydd.
Cynhaliwyd dadansoddiad TLC ar blatiau silica gyda swbstrad alwminiwm. Cafodd y platiau eu delweddu gyda golau UV (254 nm) neu staenio fanilin a'u gwresogi.
Dadansoddwyd yr holl samplau gan ddefnyddio system VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, DU) a oedd â samplwr awtomatig, pwmp deuaidd gyda ffwrn golofn a synhwyrydd tonfedd sengl. Defnyddiwyd colofn ACE Equivalence 5 C18 (150 x 4.6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, yr Alban).
Gwnaed chwistrelliadau (5 µl) yn uniongyrchol o'r cymysgedd adwaith crai wedi'i wanhau (gwanhad 1:10) a'u dadansoddi gyda dŵr:methanol (50:50 neu 70:30), ac eithrio rhai samplau gan ddefnyddio system toddydd 70:30 (a ddynodir fel rhif seren) ar gyfradd llif o 1.5 ml/mun. Cadwyd y golofn ar 40°C. Tonfedd y synhwyrydd yw 254 nm.
Cyfrifwyd % arwynebedd brig y sampl o arwynebedd brig yr alcin gweddilliol, y cynnyrch triasol yn unig, a gwnaeth cyflwyno'r deunydd cychwyn hi'n bosibl nodi'r copaon cyfatebol.
Dadansoddwyd yr holl samplau gan ddefnyddio Thermo iCAP 6000 ICP-OES. Paratowyd yr holl safonau calibradu gan ddefnyddio hydoddiant safonol Cu 1000 ppm mewn asid nitrig 2% (SPEX Certi Prep). Paratowyd yr holl safonau mewn hydoddiant o 5% DMF a 2% HNO3, a gwanhawyd yr holl samplau 20 gwaith gyda hydoddiant sampl o DMF-HNO3.
Mae UAM yn defnyddio weldio metel uwchsonig fel dull o ymuno â'r ffoil fetel a ddefnyddir i greu'r cynulliad terfynol. Mae weldio metel uwchsonig yn defnyddio offeryn metel dirgrynol (a elwir yn gorn neu gorn uwchsonig) i roi pwysau ar y ffoil/haen a gydgrynhowyd yn flaenorol i'w bondio/a gydgrynhowyd yn flaenorol trwy ddirgrynu'r deunydd. Ar gyfer gweithrediad parhaus, mae gan y sonotrode siâp silindrog ac mae'n rholio dros wyneb y deunydd, gan ludo'r ardal gyfan. Pan roddir pwysau a dirgryniad, gall yr ocsidau ar wyneb y deunydd gracio. Gall pwysau a dirgryniad cyson arwain at ddinistrio garwedd y deunydd 36. Yna mae cyswllt agos â gwres a phwysau lleol yn arwain at fond cyfnod solet ar ryngwynebau'r deunydd; gall hefyd hyrwyddo cydlyniant trwy newid egni'r wyneb 48. Mae natur y mecanwaith bondio yn goresgyn llawer o'r problemau sy'n gysylltiedig â'r effeithiau tymheredd toddi amrywiol a thymheredd uchel a grybwyllir mewn technolegau gweithgynhyrchu ychwanegol eraill. Mae hyn yn caniatáu cysylltiad uniongyrchol (h.y. heb addasu arwyneb, llenwyr na gludyddion) o sawl haen o wahanol ddeunyddiau yn un strwythur cydgrynhoedig.
Yr ail ffactor ffafriol ar gyfer CAM yw'r gradd uchel o lif plastig a welir mewn deunyddiau metelaidd hyd yn oed ar dymheredd isel, h.y. ymhell islaw pwynt toddi deunyddiau metelaidd. Mae'r cyfuniad o ddirgryniadau uwchsonig a phwysau yn achosi lefel uchel o fudo ffin grawn lleol ac ailgrisialu heb y cynnydd tymheredd sylweddol a gysylltir yn draddodiadol â deunyddiau swmp. Yn ystod creu'r cynulliad terfynol, gellir defnyddio'r ffenomen hon i fewnosod cydrannau gweithredol a goddefol rhwng haenau o ffoil fetel, haen wrth haen. Mae elfennau fel ffibr optegol 49, atgyfnerthiad 46, electroneg 50 a thermocyplau (y gwaith hwn) wedi'u hintegreiddio'n llwyddiannus i strwythurau UAM i greu cynulliadau cyfansawdd gweithredol a goddefol.
Yn y gwaith hwn, defnyddiwyd gwahanol alluoedd rhwymo deunyddiau a galluoedd rhyngosod UAM i greu micro-adweithydd delfrydol ar gyfer rheoli tymheredd catalytig.
O'i gymharu â phaladiwm (Pd) a chatalyddion metel eraill a ddefnyddir yn gyffredin, mae gan gatalysiad Cu sawl mantais: (i) Yn economaidd, mae Cu yn rhatach na llawer o fetelau eraill a ddefnyddir mewn catalysiad ac felly mae'n opsiwn deniadol ar gyfer y diwydiant cemegol (ii) mae'r ystod o adweithiau croes-gyplu wedi'u catalyddu gan Cu yn ehangu ac mae'n ymddangos ei fod yn ategu methodolegau sy'n seiliedig ar Pd51, 52, 53 i ryw raddau (iii) Mae adweithiau wedi'u catalyddu gan Cu yn gweithio'n dda yn absenoldeb ligandau eraill. Mae'r ligandau hyn yn aml yn syml yn strwythurol ac yn rhad. Os dymunir, tra bod y rhai a ddefnyddir mewn cemeg Pd yn aml yn gymhleth, yn ddrud, ac yn sensitif i aer (iv) Mae Cu yn arbennig o adnabyddus am ei allu i fondio alcinau mewn synthesis, fel cyplu catalyddu bimetallig Sonogashira a cycloaddition gydag asidau (cemeg cliciwch) (v) Gall Cu hefyd hyrwyddo arylation rhai niwcleoffiliau mewn adweithiau tebyg i Ullmann.
Yn ddiweddar, dangoswyd enghreifftiau o heterogeneiddio'r holl adweithiau hyn ym mhresenoldeb Cu(0). Mae hyn yn bennaf oherwydd y diwydiant fferyllol a'r ffocws cynyddol ar adfer ac ailddefnyddio catalyddion metel55,56.
Ystyrir bod yr adwaith cycloaddisiwn 1,3-dipolar rhwng asetylen ac asid i 1,2,3-triasol, a gynigiwyd gyntaf gan Huisgen yn y 1960au57, yn adwaith arddangos synergaidd. Mae'r darnau 1,2,3 triasol sy'n deillio o hyn o ddiddordeb arbennig fel ffarmacofor wrth ddarganfod cyffuriau oherwydd eu cymwysiadau biolegol a'u defnydd mewn amrywiol asiantau therapiwtig 58.
Cafodd yr adwaith hwn sylw newydd pan gyflwynodd Sharpless ac eraill y cysyniad o “gemeg clic”59. Defnyddir y term “gemeg clic” i ddisgrifio set gadarn a dethol o adweithiau ar gyfer synthesis cyflym cyfansoddion newydd a llyfrgelloedd cyfunol gan ddefnyddio bondio heteroatomig (CXC)60. Mae apêl synthetig yr adweithiau hyn oherwydd y cynnyrch uchel sy'n gysylltiedig â nhw. Mae'r amodau'n syml, mae'r gwrthwynebiad i ocsigen a dŵr, ac mae gwahanu cynnyrch yn syml61.
Nid yw'r cycloaddition Huisgen 1,3-dipol clasurol yn dod o dan y categori "cemeg clic". Fodd bynnag, dangosodd Medal a Sharpless fod y digwyddiad cyplu asid-alcin hwn yn mynd trwy 107–108 ym mhresenoldeb Cu(I) o'i gymharu â chyflymiad sylweddol yng nghyfradd y cycloaddition 1,3-dipolar anghatalytig 62,63. Nid yw'r mecanwaith adwaith uwch hwn yn gofyn am grwpiau amddiffynnol nac amodau adwaith llym ac mae'n darparu trosi a detholusrwydd bron yn llwyr i 1,2,3-triazolau 1,4-di-amnewidiedig (gwrth-1,2,3-triazolau) dros amser (Ffig. 3).
Canlyniadau isometrig o gylchdroadau Huisgen confensiynol a rhai wedi'u catalyddu gan gopr. Dim ond 1,2,3-triasolau 1,4-di-amnewidiol y mae gylchdroadau Huisgen wedi'u catalyddu gan Cu(I) yn eu rhoi, tra bod gylchdroadau Huisgen a achosir yn thermol fel arfer yn rhoi cymysgedd 1:1 o stereoisomers asolau i 1,4- a 1,5-triasolau.
Mae'r rhan fwyaf o brotocolau'n cynnwys lleihau ffynonellau sefydlog o Cu(II), megis lleihau CuSO4 neu'r cyfansoddyn Cu(II)/Cu(0) ar y cyd â halwynau sodiwm. O'i gymharu ag adweithiau eraill a gatalysir gan fetelau, mae gan ddefnyddio Cu(I) y prif fanteision o fod yn rhad ac yn hawdd ei drin.
Mae astudiaethau cinetig ac isotopig gan Worrell et al. 65 wedi dangos, yn achos alcinau terfynol, fod dau gyfwerth o gopr yn rhan o actifadu adweithedd pob moleciwl mewn perthynas ag asid. Mae'r mecanwaith arfaethedig yn mynd rhagddo trwy gylch metel copr chwe aelod a ffurfir trwy gydlynu asid ag asetylid copr wedi'i fondio â σ gyda chopr wedi'i fondio â π fel ligand rhoddwr sefydlog. Mae deilliadau triazolyl copr yn cael eu ffurfio o ganlyniad i grebachiad cylch ac yna dadelfennu protonau i ffurfio cynhyrchion triazol a chau'r cylch catalytig.
Er bod manteision dyfeisiau cemeg llif wedi'u dogfennu'n dda, bu awydd i integreiddio offer dadansoddol i'r systemau hyn ar gyfer monitro prosesau amser real in situ66,67. Mae UAM wedi profi i fod yn ddull addas ar gyfer dylunio a chynhyrchu adweithyddion llif 3D cymhleth iawn o ddeunyddiau dargludol thermol sy'n weithredol yn gatalytig gydag elfennau synhwyro wedi'u hymgorffori'n uniongyrchol (Ffig. 4).
Adweithydd llif alwminiwm-copr a weithgynhyrchwyd trwy weithgynhyrchu ychwanegion uwchsonig (UAM) gyda strwythur sianel fewnol cymhleth, thermocyplau adeiledig a siambr adwaith catalytig. Er mwyn delweddu'r llwybrau hylif mewnol, dangosir prototeip tryloyw a wnaed gan ddefnyddio stereolithograffeg hefyd.
Er mwyn sicrhau bod adweithyddion yn cael eu gwneud ar gyfer adweithiau organig yn y dyfodol, rhaid cynhesu toddyddion yn ddiogel uwchlaw eu berwbwynt; cânt eu profi am bwysau a thymheredd. Dangosodd y profion pwysau fod y system yn cynnal pwysau sefydlog a chyson hyd yn oed ar bwysau uchel yn y system (1.7 MPa). Cynhaliwyd profion hydrostatig ar dymheredd ystafell gan ddefnyddio H2O fel yr hylif.
Dangosodd cysylltu'r thermocwl adeiledig (Ffigur 1) â'r cofnodwr data tymheredd fod tymheredd y thermocwl 6 °C (± 1 °C) islaw'r tymheredd a raglennwyd yn system FlowSyn. Yn nodweddiadol, mae cynnydd o 10 °C mewn tymheredd yn dyblu'r gyfradd adwaith, felly gall gwahaniaeth tymheredd o ychydig raddau newid y gyfradd adwaith yn sylweddol. Mae'r gwahaniaeth hwn oherwydd y golled tymheredd ledled yr RPV oherwydd trylediad thermol uchel y deunyddiau a ddefnyddir yn y broses weithgynhyrchu. Mae'r drifft thermol hwn yn gyson ac felly gellir ei ystyried wrth sefydlu'r offer i sicrhau bod tymereddau cywir yn cael eu cyrraedd a'u mesur yn ystod yr adwaith. Felly, mae'r offeryn monitro ar-lein hwn yn hwyluso rheolaeth dynn ar dymheredd yr adwaith ac yn cyfrannu at optimeiddio prosesau mwy manwl gywir a datblygu amodau gorau posibl. Gellir defnyddio'r synwyryddion hyn hefyd i ganfod adweithiau ecsothermig ac atal adweithiau rhedeg i ffwrdd mewn systemau ar raddfa fawr.
Yr adweithydd a gyflwynir yn y papur hwn yw'r enghraifft gyntaf o gymhwyso technoleg UAM i weithgynhyrchu adweithyddion cemegol ac mae'n mynd i'r afael â sawl cyfyngiad mawr sy'n gysylltiedig ar hyn o bryd ag argraffu AM/3D y dyfeisiau hyn, megis: (i) Goresgyn y problemau a nodwyd sy'n gysylltiedig â phrosesu aloi copr neu alwminiwm (ii) datrysiad sianel fewnol gwell o'i gymharu â dulliau toddi gwely powdr (PBF) megis toddi laser dethol (SLM)25,69 Llif deunydd gwael a gwead arwyneb garw26 (iii) tymheredd prosesu is, sy'n hwyluso cysylltu synwyryddion yn uniongyrchol, nad yw'n bosibl mewn technoleg gwely powdr, (v) goresgyn y priodweddau mecanyddol gwael a sensitifrwydd cydrannau sy'n seiliedig ar bolymer i amrywiol doddyddion organig cyffredin17,19.
Dangoswyd ymarferoldeb yr adweithydd gan gyfres o adweithiau cycloaddition alcinasid wedi'u catalyddu gan gopr o dan amodau llif parhaus (Ffig. 2). Integreiddiwyd yr adweithydd copr wedi'i argraffu uwchsonig a ddangosir yn ffig. 4 â system llif fasnachol a'i ddefnyddio i syntheseiddio llyfrgell asid o amrywiol 1,2,3-triazolau 1,4-di-amnewidiol gan ddefnyddio adwaith a reolir gan dymheredd o halidau asetylen a grŵp alcyl ym mhresenoldeb sodiwm clorid (Ffig. 3). Mae defnyddio'r dull llif parhaus yn lleihau'r problemau diogelwch a all godi mewn prosesau swp, gan fod yr adwaith hwn yn cynhyrchu canolradd asid hynod adweithiol a pheryglus [317], [318]. I ddechrau, optimeiddiwyd yr adwaith ar gyfer cycloaddition ffenylasetylen ac ïodoethan (Cynllun 1 – Cycloaddition ffenylasetylen ac ïodoethan) (gweler Ffig. 5).
(Chwith uchaf) Cynllun sgematig o'r drefniant a ddefnyddiwyd i ymgorffori adweithydd 3DP mewn system llif (dde uchaf) a gafwyd o'r cynllun optimeiddiedig (isaf) o'r cynllun cycloaddisiwn Huisgen 57 rhwng phenylacetylene ac ïodoethane ar gyfer optimeiddio ac yn dangos y paramedrau cyfradd trosi optimeiddiedig ar gyfer yr adwaith.
Drwy reoli amser preswylio'r adweithyddion yn adran catalytig yr adweithydd a monitro tymheredd yr adwaith yn ofalus gyda synhwyrydd thermocwl wedi'i integreiddio'n uniongyrchol, gellir optimeiddio amodau'r adwaith yn gyflym ac yn gywir gyda'r lleiafswm o amser a deunyddiau. Canfuwyd yn gyflym mai'r trawsnewidiad uchaf a gyflawnwyd gan ddefnyddio amser preswylio o 15 munud a thymheredd adwaith o 150°C. Gellir gweld o blot cyfernod meddalwedd MODDE bod yr amser preswylio a thymheredd yr adwaith yn cael eu hystyried yn amodau pwysig o'r model. Mae rhedeg yr optimeiddiwr adeiledig gan ddefnyddio'r amodau a ddewiswyd hyn yn creu set o amodau adwaith a gynlluniwyd i wneud y mwyaf o arwynebeddau brig cynnyrch wrth leihau arwynebeddau brig deunydd cychwyn. Cynhyrchodd yr optimeiddio hwn drawsnewidiad o 53% o'r cynnyrch triasol, a oedd yn cyfateb yn union i ragfynegiad y model o 54%.