Diolch i chi am ymweld â Nature.com. Mae gan y fersiwn porwr rydych chi'n ei ddefnyddio gefnogaeth gyfyngedig ar gyfer CSS. I gael y profiad gorau, rydym yn argymell eich bod chi'n defnyddio porwr wedi'i ddiweddaru (neu'n diffodd y modd cydnawsedd yn Internet Explorer). Yn y cyfamser, er mwyn sicrhau cefnogaeth barhaus, byddwn yn arddangos y wefan heb arddulliau a JavaScript.
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 gwaith hwn, rydym yn adrodd yr enghraifft gyntaf o adweithydd llif a ffurfiwyd gan y dechneg lamineiddio dalen fetel cyflwr solet Gweithgynhyrchu Ychwanegol Ultrasonic (UAM) 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 cynyddu galluoedd dyfeisiau o'r fath yn sylweddol. Cafodd cyfres o gyfansoddion 1,2,3-triasol 1,4-di-amnewidiol eu syntheseiddio a'u optimeiddio'n llwyddiannus gan adwaith cycloaddisiwn 1,3-dipolar Huisgen wedi'i gyfryngu gan Cu gan ddefnyddio gosodiad cemeg UAM. Trwy fanteisio ar briodweddau unigryw UAM a phrosesu llif parhaus, mae'r ddyfais yn gallu cataleiddio adweithiau parhaus tra hefyd yn darparu adborth amser real ar gyfer monitro 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 mwy na 50% o adweithiau yn y diwydiannau cemegol mân a fferyllol elwa o ddefnyddio prosesu llif parhaus7.
Yn ystod y blynyddoedd diwethaf, bu tuedd gynyddol o grwpiau'n edrych i ddisodli gwydrau traddodiadol neu offer cemeg llif gyda "llestri adwaith" cemeg gweithgynhyrchu ychwanegol (AM) y gellir eu haddasu8. Mae dyluniad ailadroddus, cynhyrchu cyflym, a galluoedd 3-dimensiwn (3D) y technegau hyn yn fuddiol i'r rhai sy'n dymuno addasu eu dyfeisiau i 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 wedi'i asio (FDM)8,12,13,14 ac argraffu incjet 7, 15, 16. Mae diffyg cadernid a gallu dyfeisiau o'r fath i gyflawni ystod eang o adweithiau/dadansoddiadau cemegol17, 18, 19, 20 yn ffactor cyfyngu mawr ar gyfer gweithredu 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 mwy datblygedig sy'n galluogi defnyddwyr i gynhyrchu llestri adwaith llif gyda galluoedd cemegol a dadansoddol gwell. Dylai'r technegau hyn alluogi defnyddwyr i ddewis o ystod o ddeunyddiau hynod gadarn neu swyddogaethol sy'n gallu trin ystod eang o amodau adwaith, tra hefyd yn hwyluso gwahanol ffurfiau o allbwn dadansoddol o'r ddyfais i ganiatáu monitro a rheoli adwaith.
Un broses weithgynhyrchu ychwanegol sydd â'r potensial i ddatblygu adweithyddion cemegol wedi'u teilwra yw Gweithgynhyrchu Ychwanegol Ultrasonic (UAM). Mae'r dechneg lamineiddio dalennau cyflwr solid hon yn rhoi osgiliadau ultrasonic ar ffoiliau metel tenau er mwyn eu huno haen wrth haen gyda gwresogi swmp 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 gweithgynhyrchu tynnu, a elwir yn broses weithgynhyrchu hybrid, lle mae melino neu beiriannu laser rheoli rhifiadol cyfrifiadurol cyfnodol in-situ yn diffinio siâp net haen o ddeunydd wedi'i fondio 24, 25. Mae hyn yn golygu nad yw'r defnyddiwr wedi'i gyfyngu gan y problemau sy'n gysylltiedig â chael gwared ar ddeunydd adeiladu crai gweddilliol o sianeli hylif bach, sy'n aml yn wir gyda systemau AM powdr a hylif 26,27,28. Mae'r rhyddid dylunio hwn hefyd yn ymestyn i'r dewisiadau deunydd sydd ar gael - gall UAM fondio cyfuniadau deunydd 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 cyflwr solid, mae ffenomen arall a geir ar draws yn ystod bondio uwchsonig yw llif uchel deunyddiau plastig ar dymheredd cymharol isel29,30,31,32,33. Gall y nodwedd unigryw hon o UAM hwyluso mewnosod elfennau mecanyddol/thermol rhwng haenau metel heb ddifrod. Gall synwyryddion mewnosodedig UAM hwyluso cyflwyno gwybodaeth amser real o'r ddyfais i'r defnyddiwr trwy ddadansoddeg integredig.
Dangosodd gwaith blaenorol yr awduron32 allu'r broses UAM i greu strwythurau microfluidig ​​3D metelaidd gyda galluoedd synhwyro integredig. Dyfais monitro yn unig yw hon. Mae'r papur hwn yn cyflwyno'r enghraifft gyntaf o adweithydd cemegol microfluidig ​​a gynhyrchwyd gan UAM; dyfais weithredol sydd nid yn unig yn monitro ond hefyd yn ysgogi synthesis cemegol trwy ddeunyddiau catalydd integredig yn strwythurol. Mae'r ddyfais yn cyfuno sawl mantais sy'n gysylltiedig â thechnoleg UAM mewn gweithgynhyrchu dyfeisiau cemegol 3D, megis: y gallu i drosi dyluniadau 3D llawn yn uniongyrchol o fodelau dylunio â chymorth cyfrifiadur (CAD) yn gynhyrchion; cynhyrchu aml-ddeunydd i gyfuno dargludedd thermol uchel a deunyddiau catalytig; ac ymgorffori synwyryddion thermol yn uniongyrchol rhwng ffrydiau adweithydd ar gyfer monitro a rheoli tymheredd adwaith yn fanwl gywir. I ddangos ymarferoldeb yr adweithydd, syntheseiddiwyd llyfrgell o gyfansoddion 1,4-di-amnewidiol 1,2,3-triasol pwysig yn fferyllol gan cycloaddiction 1,3-dipolar Huisgen wedi'i gatalyddu â chopr. Mae'r gwaith hwn yn tynnu sylw at sut y gall defnyddio gwyddor deunyddiau a dylunio â chymorth cyfrifiadur agor cyfleoedd a phosibiliadau newydd ar gyfer cemeg trwy ymchwil amlddisgyblaethol.
Prynwyd yr holl doddyddion ac adweithyddion gan Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI neu Fischer Scientific a chawsant eu defnyddio heb buro ymlaen llaw. Cafwyd sbectrwm NMR 1H a 13C a gofnodwyd ar 400 MHz a 100 MHz, yn y drefn honno, gan ddefnyddio sbectromedr JEOL ECS-400 400 MHz neu sbectromedr Bruker Avance II 400 MHz a CDCl3 neu (CD3)2SO fel toddydd. Perfformiwyd yr holl adweithiau gan ddefnyddio platfform cemeg llif Uniqsis FlowSyn.
Defnyddiwyd UAM i gynhyrchu pob dyfais yn yr astudiaeth hon. Dyfeisiwyd y dechnoleg ym 1999, a gellir astudio ei manylion technegol, paramedrau gweithredu a datblygiadau ers ei dyfeisio trwy'r deunyddiau cyhoeddedig canlynol34,35,36,37. Gweithredwyd y ddyfais (Ffigur 1) gan ddefnyddio system UAM SonicLayer 4000® 9kW pŵer uwch-uchel (Fabrisonic, OH, UDA). Y deunyddiau a ddewiswyd ar gyfer cynhyrchu'r 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 o fewn micro-adweithydd. Defnyddir Al 6061 O fel deunydd "swmp", hefyd Haen Mewnosod a ddefnyddir ar gyfer dadansoddi; Mewnosod cydran ategol aloi a chyflwr anelio ynghyd â haen Cu-110. Mae Al 6061 O yn ddeunydd y dangoswyd ei fod yn gydnaws iawn â phrosesau UAM38, 39, 40, 41 ac mae wedi'i brofi a'i ganfod yn Gemegol Sefydlog gyda'r adweithyddion a ddefnyddiwyd yn y gwaith hwn. Ystyrir bod y cyfuniad o Al 6061 O gyda Cu-110 hefyd yn gyfuniad deunydd cydnaws ar gyfer UAM ac felly mae'n ddeunydd addas ar gyfer yr astudiaeth hon. 38,42 Rhestrir y dyfeisiau hyn yn Nhabl 1 isod.
Camau gwneuthuriad yr adweithydd (1) Swbstrad Al 6061 (2) Gwneuthuriad sianel waelod wedi'i gosod ar ffoil copr (3) Mewnosod thermocyplau rhwng haenau (4) Sianel uchaf (5) Mewnfa ac allfa (6) Adweithydd monolithig.
Athroniaeth ddylunio llwybr yr hylif yw defnyddio llwybr cymhleth i gynyddu'r pellter y mae'r hylif yn teithio o fewn y sglodion, gan gadw'r sglodion ar faint y gellir ei reoli. Mae'r cynnydd hwn mewn pellter yn ddymunol i gynyddu amser rhyngweithio catalydd/adweithydd a darparu cynnyrch cynnyrch rhagorol. Mae'r sglodion yn defnyddio plygiadau 90° ar bennau'r llwybr syth i ysgogi cymysgu cythryblus o fewn y ddyfais44 a chynyddu amser cyswllt yr hylif â'r wyneb (catalydd). Er mwyn cynyddu'r cymysgu y gellir ei gyflawni ymhellach, mae dyluniad yr adweithydd yn cynnwys dau fewnfa adweithydd wedi'u cyfuno wrth y gyffordd-Y cyn mynd i mewn i'r adran gymysgu serpentine. Mae'r drydedd fewnfa, sy'n croestorri'r nant hanner ffordd trwy ei phreswyliad, wedi'i chynnwys yng nghynllun synthesisau adwaith aml-gam yn y dyfodol.
Mae gan bob sianel broffil sgwâr (dim onglau drafft), canlyniad y melino CNC cyfnodol a ddefnyddir i greu geometreg y sianel. Dewisir dimensiynau'r sianel i sicrhau allbwn cyfaint uchel (ar gyfer micro-adweithydd), tra'n ddigon bach i hwyluso rhyngweithiadau arwyneb (catalyddion) ar gyfer y rhan fwyaf o'r hylifau sydd wedi'u cynnwys. Mae'r maint priodol yn seiliedig ar brofiad blaenorol yr awduron gyda dyfeisiau metel-hylifog ar gyfer yr adwaith. Roedd dimensiynau mewnol y sianel derfynol yn 750 µm x 750 µm ac roedd cyfanswm cyfaint yr adweithydd yn 1 ml. Mae cysylltydd integredig (edau 1/4″—28 UNF) wedi'i gynnwys yn y dyluniad i ganiatáu rhyngwynebu syml o'r 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; yn yr achos hwn, ni fydd lled o 750 μm yn achosi sag.
Pennir siâp (sgwâr) y sianel trwy ddefnyddio torrwr sgwâr. Gellir newid siâp a maint y sianeli gan beiriannau CNC gan ddefnyddio gwahanol offer torri i gael gwahanol gyfraddau llif a nodweddion. Gellir dod o hyd i enghraifft o greu sianel siâp crwm gan ddefnyddio'r offeryn 125 μm yng ngwaith Monaghan45. Pan fydd yr haen ffoil yn cael ei dyddodi mewn modd planar, bydd gan y gorchudd o ddeunydd ffoil dros y sianeli orffeniad gwastad (sgwâr). Yn y gwaith hwn, er mwyn cynnal cymesuredd y sianel, defnyddiwyd amlinell sgwâr.
Yn ystod saib wedi'i raglennu ymlaen llaw yn y broses gynhyrchu, mae chwiliedyddion tymheredd thermocwl (Math K) wedi'u mewnosod yn uniongyrchol yn y ddyfais rhwng y grwpiau sianel uchaf ac isaf (Ffigur 1 - Cam 3). Gall y thermocwlau hyn fonitro newidiadau tymheredd o −200 i 1350 °C.
Perfformir y broses dyddodi metel gan gorn UAM gan ddefnyddio ffoil fetel 25.4 mm o led, 150 micron o drwch. Mae'r haenau ffoil hyn wedi'u bondio i mewn i gyfres 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 cynhyrchu'r siâp net terfynol. Defnyddir peiriannu CNC i beiriannu cyfuchliniau allanol a mewnol yr offer, gan arwain at orffeniad wyneb yr offer a'r sianeli sy'n hafal i'r offeryn a'r paramedrau proses CNC a ddewiswyd (tua 1.6 μm Ra yn yr enghraifft hon). Defnyddir cylchoedd dyddodi a pheiriannu deunydd uwchsonig parhaus, parhaus drwy gydol y broses weithgynhyrchu dyfais i sicrhau bod cywirdeb dimensiwn yn cael ei gynnal a bydd y rhan orffenedig yn bodloni lefelau cywirdeb melino gorffen CNC. Mae lled y sianel a ddefnyddir ar gyfer y ddyfais hon yn ddigon bach i sicrhau nad yw'r deunydd ffoil yn "sugno" i'r sianel hylif, felly mae'r sianel yn cynnal trawsdoriad sgwâr. Penderfynwyd bylchau posibl mewn deunydd ffoil a pharamedrau proses UAM yn arbrofol gan bartner gweithgynhyrchu (Fabrisonic LLC, UDA).
Mae astudiaethau wedi dangos nad oes llawer o drylediad elfennol yn digwydd ar y rhyngwyneb bondio UAM 46, 47 heb driniaeth thermol 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 sydyn.
Gosodwch reoleiddiwr pwysau cefn (BPR) 250 psi (1724 kPa) wedi'i galibro ymlaen llaw i allfa'r adweithydd a phwmpio dŵr trwy'r adweithydd ar gyfradd o 0.1 i 1 mL min-1. Monitrwyd pwysau'r adweithydd gan ddefnyddio synhwyrydd pwysau system adeiledig FlowSyn i wirio y gallai'r system gynnal pwysau cyson. Profwyd graddiannau tymheredd posibl ar draws yr adweithydd llif trwy nodi unrhyw wahaniaethau rhwng y thermocyplau sydd wedi'u hymgorffori yn yr adweithydd a'r rhai sydd wedi'u hymgorffori yn y plât gwresogi sglodion FlowSyn. Cyflawnir hyn trwy amrywio tymheredd y plât poeth rhaglenadwy rhwng 100 a 150 °C mewn cynyddrannau o 25 °C a nodi unrhyw wahaniaethau rhwng y tymereddau rhaglenedig a'r rhai a gofnodwyd. Cyflawnwyd hyn gan ddefnyddio cofnodwr data tc-08 (PicoTech, Caergrawnt, DU) a meddalwedd PicoLog cysylltiedig.
Optimeiddiwyd amodau adwaith cycloaddisiwn ffenylasetilen ac iodoethane (Cynllun 1 - Cycloaddisiwn ffenylasetilen ac iodoethane Cynllun 1 - Cycloaddisiwn ffenylasetilen ac iodoethane). Perfformiwyd yr optimeiddio hwn trwy ddull dylunio arbrofion ffactoraidd llawn (DOE), gan ddefnyddio tymheredd ac amser preswylio fel paramedrau amrywiol, 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 o 1.5 mL o bob toddiant a'i bwmpio trwy'r adweithydd ar y gyfradd llif a'r tymheredd a ddymunir. Cymerwyd yr ymateb model fel cymhareb arwynebedd brig cynnyrch triasol i ddeunydd cychwyn phenylacetylen a'i bennu gan gromatograffaeth hylif perfformiad uchel (HPLC). Er mwyn cysondeb y dadansoddiad, samplwyd 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 × 100 mm o ran maint, maint gronynnau 5 µm, wedi'i gynnal ar 40 °C. Roedd y toddydd yn isocrataidd 50:50 methanol:dŵr ar gyfradd llif o 1.5 mL.mun-1. Roedd cyfaint y pigiad 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 chwistrellu deunydd cychwyn yn caniatáu adnabod copaon perthnasol.
Roedd cyplysu allbwn dadansoddi'r adweithydd â meddalwedd MODDE DOE (Umetrics, Malmö, Sweden) yn caniatáu dadansoddiad trylwyr o dueddiadau canlyniadau a phennu amodau adwaith gorau posibl ar gyfer y cycloaddition hwn. Mae rhedeg yr optimeiddiwr adeiledig a dewis yr holl dermau model pwysig yn cynhyrchu set o amodau adwaith a gynlluniwyd i wneud y mwyaf o arwynebedd brig y cynnyrch wrth leihau arwynebedd brig ar gyfer deunydd cychwyn asetylen.
Cyflawnwyd ocsideiddio copr arwyneb o fewn y siambr adwaith catalytig gan ddefnyddio toddiant o hydrogen perocsid (36%) yn llifo trwy'r siambr adwaith (cyfradd llif = 0.4 mL mun-1, amser preswylio = 2.5 mun) cyn synthesis pob llyfrgell cyfansoddion triasol.
Unwaith y nodwyd set optimaidd o amodau, fe'u cymhwyswyd i ystod o ddeilliadau asetylen a haloalcan i ganiatáu llunio synthesis llyfrgell fach, a thrwy hynny sefydlu'r gallu i gymhwyso'r amodau hyn i ystod ehangach o adweithyddion posibl (Ffigur 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 aliquotau o 3 mL o bob toddiant a'u pwmpio trwy'r adweithydd ar 75 µL.mun-1 a 150 °C. Casglwyd y cyfaint cyfan i mewn i ffiol a'i wanhau â 10 mL o ethyl asetad. Golchwyd y toddiant sampl â 3 × 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 x 10 mL o heli, eu sychu dros MgSO4 a'u hidlo, yna tynnwyd y toddydd mewn gwactod. Purwyd y samplau trwy gromatograffaeth colofn ar gel silica 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 datrysiad Orbitrap manwl gywir Thermofischer gydag ESI fel y ffynhonnell ïoneiddio. Paratowyd yr holl samplau gan ddefnyddio asetonitril fel toddydd.
Perfformiwyd dadansoddiad TLC ar blatiau silica â chefn alwminiwm. Gwelwyd y platiau gan ddefnyddio golau UV (254 nm) neu staenio fanilin a gwresogi.
Dadansoddwyd yr holl samplau gan ddefnyddio system VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, DU) sydd â samplwr awtomatig, pwmp deuaidd popty colofn a synhwyrydd tonfedd sengl. Y golofn a ddefnyddiwyd oedd ACE Equivalence 5 C18 (150 × 4.6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, yr Alban).
Gwnaed pigiadau (5 µL) yn uniongyrchol o gymysgedd 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'r 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, dim ond y cynnyrch triasol, a thrwy chwistrellu'r deunydd cychwyn, gellid adnabod y copaon perthnasol.
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 5% DMF a 2% HNO3, a gwanhawyd yr holl samplau 20 gwaith yn y toddiant sampl DMF-HNO3.
Mae UAM yn defnyddio weldio metel uwchsonig fel techneg bondio ar gyfer y deunydd ffoil metel a ddefnyddir i adeiladu'r cynulliad terfynol. Mae weldio metel uwchsonig yn defnyddio offeryn metel dirgrynol (a elwir yn gorn neu gorn uwchsonig) i roi pwysau ar yr haen ffoil/haen a gydgrynhowyd yn flaenorol i'w bondio wrth ddirgrynu'r deunydd. Ar gyfer gweithrediad parhaus, mae'r sonotrode yn silindrog ac yn rholio dros wyneb y deunydd, gan fondio'r ardal gyfan. Pan roddir pwysau a dirgryniad, gall yr ocsidau ar wyneb y deunydd gracio. Gall pwysau a dirgryniad parhaus achosi i lympiau'r deunydd gwympo 36 . Yna mae cyswllt agos â gwres a phwysau a achosir yn lleol yn arwain at fondio cyflwr solid ar ryngwynebau deunydd; gall hefyd gynorthwyo adlyniad trwy newidiadau yn egni arwyneb 48 . Mae natur y mecanwaith bondio yn goresgyn llawer o'r problemau sy'n gysylltiedig â'r tymheredd toddi amrywiol ac ôl-effeithiau tymheredd uchel a grybwyllir mewn technegau gweithgynhyrchu ychwanegol eraill. Mae hyn yn caniatáu bondio uniongyrchol (h.y., heb addasu arwyneb, llenwyr na gludyddion) o haenau lluosog o wahanol ddeunyddiau i mewn i un strwythur cydgrynhoedig.
Ail ffactor ffafriol ar gyfer UAM 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 osgiliad uwchsonig a phwysau yn achosi lefelau uchel o fudo ffin grawn lleol ac ailgrisialu heb y cynnydd tymheredd mawr sy'n gysylltiedig yn draddodiadol â deunyddiau swmp. Yn ystod adeiladu'r cynulliad terfynol, gellir manteisio ar y ffenomen hon i fewnosod cydrannau gweithredol a goddefol rhwng haenau o ffoil fetel, haen wrth haen. Mae elfennau fel ffibrau optegol 49, atgyfnerthiadau 46, electroneg 50, a thermocyplau (y gwaith hwn) i gyd wedi'u hymgorffori'n llwyddiannus mewn strwythurau UAM i greu cynulliadau cyfansawdd gweithredol a goddefol.
Yn y gwaith hwn, defnyddiwyd y gwahanol bosibiliadau bondio deunydd a rhyngosod UAM i greu'r micro-adweithydd monitro tymheredd catalytig eithaf.
O'i gymharu â phaladiwm (Pd) a chatalyddion metel eraill a ddefnyddir yn gyffredin, mae gan gatalysis Cu sawl mantais: (i) Yn economaidd, mae Cu yn rhatach na llawer o fetelau eraill a ddefnyddir mewn catalysis ac felly mae'n opsiwn deniadol ar gyfer y diwydiant prosesu cemegol (ii) Mae'r ystod o adweithiau croes-gyplu wedi'u catalyddu gan Cu yn cynyddu ac mae'n ymddangos ei fod yn ategu methodolegau sy'n seiliedig ar Pd i ryw raddau51,52,53 (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) Cu, sy'n adnabyddus yn arbennig am ei allu i rwymo alcinau mewn synthesis, Er enghraifft, cyplu Sonogashira wedi'i gatalysu gan ddeumetelau a cycloaddition gydag asidau (cemeg clic) (v) Mae Cu hefyd yn gallu hyrwyddo arylation sawl niwcleoffil 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 catalydd metel55,56.
Wedi'i arloesi gan Huisgen yn y 1960au57, ystyrir bod yr adwaith cycloaddisiwn 1,3-dipolar rhwng asetylen ac asid i 1,2,3-triasol yn adwaith arddangos synergaidd. Mae'r rhannau 1,2,3-triasol sy'n deillio o hyn o ddiddordeb arbennig fel ffarmacofor ym maes darganfod cyffuriau oherwydd eu cymwysiadau biolegol a'u defnydd mewn amrywiol asiantau therapiwtig 58.
Daeth yr adwaith hwn i ffocws eto pan gyflwynodd Sharpless ac eraill y cysyniad o “gemeg clic”59. Defnyddir y term “gemeg clic” i ddisgrifio set gadarn, ddibynadwy a dethol o adweithiau ar gyfer synthesis cyflym cyfansoddion newydd a llyfrgelloedd cyfunol trwy gysylltiad heteroatom (CXC)60 Mae apêl synthetig yr adweithiau hyn yn deillio o’u cynnyrch uchel cysylltiedig, mae amodau adwaith yn syml, ymwrthedd i ocsigen a dŵr, ac mae gwahanu cynnyrch yn syml61.
Nid yw'r cycloaddisiwn 1,3-dipol clasurol Huisgen yn perthyn i'r categori "cemeg clic". Fodd bynnag, dangosodd Medal a Sharpless fod y digwyddiad cyplu asid-alcin hwn yn mynd trwy 107 i 108 ym mhresenoldeb Cu(I) o'i gymharu â'r cyflymiad cyfradd sylweddol 62,63 cycloaddisiwn 1,3-dipol heb ei gatalyddu. Nid yw'r mecanwaith adwaith gwell hwn yn gofyn am grwpiau amddiffynnol nac amodau adwaith llym ac mae'n cynhyrchu trosi a detholusrwydd bron yn llwyr i 1,2,3-triasolau 1,4-di-amnewidiedig (gwrth-1,2,3-triasol) ar raddfa amser (Ffigur 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 cynhyrchu, tra bod gylchdroadau Huisgen a achosir yn thermol fel arfer yn cynhyrchu cymysgedd 1:1 o stereoisomers o asolau 1,4- a 1,5-triasolau.
Mae'r rhan fwyaf o brotocolau'n cynnwys lleihau ffynonellau Cu(II) sefydlog, megis lleihau cyd-gyfuniad rhywogaethau CuSO4 neu Cu(II)/Cu(0) â halwynau sodiwm. O'i gymharu ag adweithiau eraill sy'n cael eu catalyddu gan fetelau, mae gan ddefnyddio Cu(I) y prif fanteision o fod yn rhad ac yn hawdd ei drin.
Dangosodd astudiaethau labelu cinetig ac isotopig gan Worrell et al. 65, yn achos alcinau terfynol, fod dau gyfwerth o gopr yn rhan o actifadu adweithedd pob moleciwl tuag at asid. Mae'r mecanwaith arfaethedig yn mynd rhagddo trwy gylch metel copr chwe aelod a ffurfir trwy gydlynu asid i asetylid copr wedi'i fondio â σ gyda chopr wedi'i fondio â π fel ligand rhoddwr sefydlog. Mae deilliadau copr triazolyl yn cael eu ffurfio trwy grebachu'r cylch, ac yna dadelfennu protonau i ddarparu 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 mewn-lein, yn y fan a'r lle66,67. Profodd UAM i fod yn ddull addas ar gyfer dylunio a chynhyrchu adweithyddion llif 3D cymhleth iawn wedi'u gwneud o ddeunyddiau sy'n weithredol yn gatalytig ac sy'n ddargludol yn thermol gydag elfennau synhwyro wedi'u hymgorffori'n uniongyrchol (Ffigur 4).
Adweithydd llif alwminiwm-copr wedi'i gynhyrchu gan weithgynhyrchu ychwanegion uwchsonig (UAM) gyda strwythur sianel fewnol cymhleth, thermocyplau wedi'u hymgorffori a siambr adwaith catalytig. I ddelweddu llwybrau hylif mewnol, dangosir prototeip tryloyw wedi'i gynhyrchu gan ddefnyddio stereolithograffeg hefyd.
Er mwyn sicrhau bod yr adweithyddion yn cael eu cynhyrchu ar gyfer adweithiau organig yn y dyfodol, mae angen cynhesu toddyddion yn ddiogel uwchlaw'r pwynt berwi; cânt eu profi o ran pwysau a thymheredd. Dangosodd y prawf pwysau fod y system yn cynnal pwysau sefydlog a chyson hyd yn oed gyda phwysau system cynyddol (1.7 MPa). Perfformiwyd y prawf hydrostatig ar dymheredd ystafell gan ddefnyddio H2O fel yr hylif.
Dangosodd cysylltu'r thermocwl mewnosodedig (Ffigur 1) â'r cofnodwr data tymheredd fod y thermocwl 6 °C (± 1 °C) yn oerach na'r tymheredd a raglennwyd ar y system FlowSyn. Yn nodweddiadol, mae cynnydd o 10 °C mewn tymheredd yn arwain at ddyblu cyfradd yr adwaith, felly gall gwahaniaeth tymheredd o ychydig raddau newid cyfradd yr adwaith yn sylweddol. Mae'r gwahaniaeth hwn oherwydd y golled tymheredd ledled corff yr adweithydd oherwydd trylediad thermol uchel y deunyddiau a ddefnyddir yn y broses weithgynhyrchu. Mae'r drifft thermol hwn yn gyson ac felly gellir ei ystyried yn y gosodiad 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 hwyluso optimeiddio prosesau mwy cywir a datblygu amodau gorau posibl. Gellir defnyddio'r synwyryddion hyn hefyd i nodi ecsothermau adwaith ac atal adweithiau rhedeg i ffwrdd mewn systemau ar raddfa fawr.
Yr adweithydd a gyflwynir yn y gwaith 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 adroddwyd sy'n gysylltiedig â phrosesu aloi copr neu alwminiwm (ii) datrysiad sianel fewnol gwell o'i gymharu â thechnegau ymasiad gwely powdr (PBF) megis toddi laser dethol (SLM)25,69 Llif deunydd gwael a gwead arwyneb garw26 (iii) Tymheredd prosesu is, sy'n hwyluso bondio synwyryddion yn uniongyrchol, nad yw'n bosibl mewn technoleg gwely powdr, (v) goresgyn priodweddau mecanyddol gwael a sensitifrwydd cydrannau sy'n seiliedig ar bolymer i amrywiaeth o doddyddion organig cyffredin17,19.
Dangoswyd ymarferoldeb yr adweithydd gan gyfres o adweithiau cycloaddition asid alcin wedi'u catalyddu gan gopr o dan amodau llif parhaus (Ffig. 2). Integreiddiwyd yr adweithydd copr wedi'i argraffu ag uwchsonig a nodir yn Ffigur 4 â system llif fasnachol a'i ddefnyddio i syntheseiddio asidau llyfrgell o wahanol 1,2,3-triazolau 1,4-di-amnewidiol trwy'r adwaith a reolir gan dymheredd o halidau asetylen a grwpiau alcyl ym mhresenoldeb sodiwm clorid (Ffigur 3). Mae defnyddio dull llif parhaus yn lliniaru'r pryderon diogelwch a all godi mewn prosesau swp, gan fod yr adwaith hwn yn cynhyrchu canolradd asid adweithiol iawn a pheryglus [317], [318]. I ddechrau, optimeiddiwyd yr adwaith ar gyfer cycloaddition ffenylasetylen ac ïodoethan (Cynllun 1 – Cycloaddition ffenylasetylen ac ïodoethan) (gweler Ffigur 5).
(Chwith uchaf) Cynllun sgematig o'r drefniant a ddefnyddiwyd i ymgorffori'r adweithydd 3DP yn y system llif (dde uchaf) a gafwyd yn y cynllun optimeiddiedig (gwaelod) o gynllun cycloaddisiwn Huisgen 57 rhwng phenylacetylene ac ïodoethane ar gyfer optimeiddio ac yn dangos y paramedrau optimeiddiedig cyfradd trosi adwaith.
Drwy reoli amser preswylio'r adweithyddion yn rhan catalytig yr adweithydd a monitro tymheredd yr adwaith yn agos gyda chwiliedydd thermocwl wedi'i integreiddio'n uniongyrchol, gellir optimeiddio amodau'r adwaith yn gyflym ac yn gywir gyda'r defnydd lleiaf o amser a deunydd. Penderfynwyd yn gyflym y cafwyd y trawsnewidiadau uchaf pan ddefnyddiwyd amser preswylio o 15 munud a thymheredd adwaith o 150 °C. O'r plot cyfernod o feddalwedd MODDE, gellir gweld bod amser preswylio a thymheredd yr adwaith yn dermau model pwysig. Mae rhedeg yr optimeiddiwr adeiledig gan ddefnyddio'r termau dethol hyn yn cynhyrchu 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 agos i ragfynegiad y model o 54%.
Yn seiliedig ar y llenyddiaeth sy'n dangos y gall ocsid copr(I) (Cu2O) weithredu fel rhywogaeth catalytig effeithiol ar arwynebau copr sero-falent yn yr adweithiau hyn, ymchwiliwyd i'r gallu i rag-ocsideiddio wyneb yr adweithydd cyn cynnal yr adwaith mewn llif70,71. Yna perfformiwyd yr adwaith rhwng ffenylasetilen ac ïodoethan eto o dan amodau gorau posibl a chymharwyd y cynnyrch. Gwelwyd bod y paratoad hwn wedi arwain at gynnydd sylweddol yn nhrawsnewidiad y deunydd cychwyn, a gyfrifwyd i fod yn >99%. Fodd bynnag, dangosodd monitro gan HPLC fod y trawsnewidiad hwn wedi lleihau'r amser adwaith hirfaith yn sylweddol tan tua 90 munud, lle ymddangosodd y gweithgaredd i lefelu a chyrraedd "cyflwr cyson". Mae'r arsylwad hwn yn awgrymu bod ffynhonnell y gweithgaredd catalytig yn cael ei chael o ocsid copr yr wyneb yn hytrach na'r swbstrad copr sero-falent. Mae metel Cu yn cael ei ocsideiddio'n hawdd ar dymheredd ystafell i ffurfio CuO a Cu2O nad ydynt yn haenau hunan-amddiffynnol. Mae hyn yn dileu'r angen i ychwanegu ffynhonnell copr(II) ategol ar gyfer cyd-gyfansoddi71.