از بازدید شما از Nature.com متشکریم. نسخه مرورگری که استفاده می‌کنید پشتیبانی محدودی از CSS دارد. برای بهترین تجربه، توصیه می‌کنیم از یک مرورگر به‌روز استفاده کنید (یا حالت سازگاری را در Internet Explorer غیرفعال کنید). در عین حال، برای اطمینان از ادامه پشتیبانی، سایت را بدون استایل‌ها و جاوا اسکریپت نمایش خواهیم داد.
تولید افزایشی، روش طراحی و ساخت دستگاه‌های شیمیایی توسط محققان و صنعتگران را برای رفع نیازهای خاص آنها تغییر می‌دهد. در این کار، ما اولین نمونه از یک راکتور جریانی را که توسط تکنیک لایه لایه سازی ورق فلزی حالت جامد با قطعات کاتالیزوری و عناصر حسگر یکپارچه شده است، گزارش می‌دهیم. فناوری UAM نه تنها بر بسیاری از محدودیت‌های فعلی مرتبط با تولید افزایشی راکتورهای شیمیایی غلبه می‌کند، بلکه قابلیت‌های چنین دستگاه‌هایی را نیز به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد. مجموعه‌ای از ترکیبات 1،4-دی‌آزول 1،2،3-تری‌آزول با اهمیت بیولوژیکی با موفقیت سنتز و توسط واکنش حلقه‌زایی 1،3-دوقطبی هویسگن با واسطه مس با استفاده از یک سیستم شیمیایی UAM بهینه شدند. با بهره‌گیری از خواص منحصر به فرد UAM و پردازش جریان پیوسته، این دستگاه قادر به کاتالیز واکنش‌های جاری است و در عین حال بازخورد بلادرنگ برای نظارت و بهینه‌سازی واکنش ارائه می‌دهد.
شیمی جریان به دلیل مزایای قابل توجهش نسبت به همتای توده‌ای خود، به دلیل توانایی‌اش در افزایش گزینش‌پذیری و کارایی سنتز شیمیایی، یک حوزه مهم و رو به رشد در هر دو محیط دانشگاهی و صنعتی است. این حوزه از تشکیل مولکول‌های آلی ساده1 تا ترکیبات دارویی2،3 و محصولات طبیعی4،5،6 را در بر می‌گیرد. بیش از 50٪ از واکنش‌ها در صنایع شیمیایی و دارویی ظریف می‌توانند از استفاده از پردازش جریان پیوسته7 بهره‌مند شوند.
در سال‌های اخیر، روند رو به رشدی از گروه‌هایی که به دنبال جایگزینی ظروف شیشه‌ای سنتی یا تجهیزات شیمی جریان با «مخازن واکنش» شیمی تولید افزایشی (AM) قابل تنظیم هستند، وجود داشته است. طراحی تکراری، تولید سریع و قابلیت‌های سه‌بعدی (3D) این تکنیک‌ها برای کسانی که مایل به سفارشی‌سازی دستگاه‌های خود برای مجموعه‌ای خاص از واکنش‌ها، دستگاه‌ها یا شرایط هستند، مفید است. تا به امروز، این کار تقریباً منحصراً بر استفاده از تکنیک‌های چاپ سه‌بعدی مبتنی بر پلیمر مانند استریولیتوگرافی (SL)9،10،11، مدل‌سازی رسوب ذوبی (FDM)8،12،13،14 و چاپ جوهرافشان 7، 15، 16 متمرکز بوده است. عدم استحکام و توانایی چنین دستگاه‌هایی برای انجام طیف گسترده‌ای از واکنش‌ها/تحلیل‌های شیمیایی17، 18، 19، 20 یک عامل محدودکننده اصلی برای پیاده‌سازی گسترده‌تر AM در این زمینه است17، 18، 19، 20.
با توجه به افزایش استفاده از شیمی جریان و خواص مطلوب مرتبط با AM، نیاز به بررسی تکنیک‌های پیشرفته‌تری وجود دارد که کاربران را قادر به ساخت مخازن واکنش جریان با قابلیت‌های شیمیایی و تحلیلی پیشرفته می‌سازد. این تکنیک‌ها باید کاربران را قادر سازند تا از طیف وسیعی از مواد بسیار مقاوم یا کاربردی که قادر به مدیریت طیف وسیعی از شرایط واکنش هستند، انتخاب کنند، در عین حال اشکال مختلف خروجی تحلیلی از دستگاه را نیز تسهیل می‌کنند تا امکان نظارت و کنترل واکنش فراهم شود.
یکی از فرآیندهای تولید افزایشی که پتانسیل توسعه راکتورهای شیمیایی سفارشی را دارد، تولید افزایشی اولتراسونیک (UAM) است. این تکنیک لایه گذاری ورق حالت جامد، نوسانات اولتراسونیک را به فویل‌های فلزی نازک اعمال می‌کند تا آنها را لایه به لایه با حداقل گرمایش حجمی و درجه بالایی از جریان پلاستیک به هم متصل کند. 21، 22، 23. برخلاف اکثر فناوری‌های دیگر AM، UAM می‌تواند مستقیماً با تولید کاهشی، که به عنوان یک فرآیند تولید ترکیبی شناخته می‌شود، ادغام شود، که در آن فرزکاری یا ماشینکاری لیزری کنترل عددی کامپیوتری (CNC) دوره‌ای درجا، شکل خالص یک لایه از ماده پیوند یافته را تعریف می‌کند. 24، 25. این بدان معناست که کاربر با مشکلات مرتبط با حذف مواد خام باقیمانده از کانال‌های کوچک سیال، که اغلب در سیستم‌های AM پودری و مایع وجود دارد، محدود نمی‌شود. 26، 27، 28. این آزادی طراحی همچنین به انتخاب مواد موجود گسترش می‌یابد - UAM می‌تواند ترکیبات مواد مشابه و غیر مشابه از نظر حرارتی را در یک مرحله فرآیند واحد پیوند دهد. انتخاب ترکیبات مواد فراتر از فرآیند ذوب به این معنی است که می‌توان نیازهای مکانیکی و شیمیایی کاربردهای خاص را بهتر برآورده کرد. علاوه بر این پدیده دیگری که در طول اتصال حالت جامد با اولتراسونیک مشاهده می‌شود، جریان بالای مواد پلاستیکی در دماهای نسبتاً پایین است29،30،31،32،33. این ویژگی منحصر به فرد UAM می‌تواند جاسازی عناصر مکانیکی/حرارتی بین لایه‌های فلزی را بدون آسیب تسهیل کند. حسگرهای تعبیه شده در UAM می‌توانند از طریق تجزیه و تحلیل یکپارچه، تحویل اطلاعات در زمان واقعی از دستگاه به کاربر را تسهیل کنند.
کارهای قبلی نویسندگان32 توانایی فرآیند UAM را در ایجاد ساختارهای میکروفلوئیدیک سه‌بعدی فلزی با قابلیت‌های حسگری یکپارچه نشان داده است. این دستگاه فقط برای پایش است. این مقاله اولین نمونه از یک راکتور شیمیایی میکروفلوئیدیک ساخته شده توسط UAM را ارائه می‌دهد؛ یک دستگاه فعال که نه تنها پایش می‌کند، بلکه سنتز شیمیایی را از طریق مواد کاتالیزوری یکپارچه ساختاری القا می‌کند. این دستگاه چندین مزیت مرتبط با فناوری UAM در تولید دستگاه‌های شیمیایی سه‌بعدی را ترکیب می‌کند، مانند: توانایی تبدیل طرح‌های سه‌بعدی کامل مستقیماً از مدل‌های طراحی به کمک کامپیوتر (CAD) به محصولات؛ ساخت چند ماده‌ای برای ترکیب رسانایی حرارتی بالا و مواد کاتالیزوری؛ و تعبیه حسگرهای حرارتی مستقیماً بین جریان‌های معرف برای نظارت و کنترل دقیق دمای واکنش. برای نشان دادن عملکرد راکتور، کتابخانه‌ای از ترکیبات 1،4-دی‌استخلاف‌شده 1،2،3-تری‌آزول با اهمیت دارویی با استفاده از حلقه‌زایی 1،3-دوقطبی هویسگن کاتالیز شده با مس سنتز شد. این کار نشان می‌دهد که چگونه استفاده از علم مواد و طراحی به کمک کامپیوتر می‌تواند فرصت‌ها و امکانات جدیدی را برای شیمی از طریق تحقیقات چند رشته‌ای ایجاد کند.
تمام حلال‌ها و واکنشگرها از شرکت‌های Sigma-Aldrich، Alfa Aesar، TCI یا Fischer Scientific خریداری و بدون خالص‌سازی قبلی مورد استفاده قرار گرفتند. طیف‌های 1H و 13C NMR ثبت‌شده در فرکانس‌های 400 مگاهرتز و 100 مگاهرتز، به ترتیب با استفاده از طیف‌سنج JEOL ECS-400 400 مگاهرتز یا طیف‌سنج Bruker Avance II 400 مگاهرتز و CDCl3 یا (CD3)2SO به عنوان حلال به دست آمدند. تمام واکنش‌ها با استفاده از پلتفرم شیمی جریان Uniqsis FlowSyn انجام شدند.
از UAM برای ساخت تمام دستگاه‌های این مطالعه استفاده شد. این فناوری در سال ۱۹۹۹ اختراع شد و جزئیات فنی، پارامترهای عملیاتی و پیشرفت‌های آن از زمان اختراعش را می‌توان از طریق مطالب منتشر شده زیر مطالعه کرد۳۴،۳۵،۳۶،۳۷. این دستگاه (شکل ۱) با استفاده از یک سیستم UAM 9 کیلوواتی SonicLayer 4000® (فابریسونیک، اوهایو، ایالات متحده) با توان فوق‌العاده بالا پیاده‌سازی شد. مواد انتخاب شده برای ساخت دستگاه جریان، Cu-110 و Al 6061 بودند. Cu-110 دارای محتوای مس بالایی (حداقل ۹۹.۹٪ مس) است که آن را به کاندیدای خوبی برای واکنش‌های کاتالیز شده با مس تبدیل می‌کند و بنابراین به عنوان یک "لایه فعال در یک میکروراکتور" استفاده می‌شود. Al 6061O به عنوان یک ماده "بالکی" استفاده می‌شود، همچنین لایه جاسازی برای تجزیه و تحلیل استفاده می‌شود. جاسازی اجزای کمکی آلیاژ و شرایط آنیل شده همراه با لایه Cu-110. Al 6061O ماده‌ای است که سازگاری بالایی با UAM نشان داده است. فرآیندهای38، 39، 40، 41 و آزمایش شده و از نظر شیمیایی با واکنشگرهای مورد استفاده در این کار پایدار بوده است. ترکیب Al 6061O با Cu-110 نیز یک ترکیب مواد سازگار برای UAM در نظر گرفته می‌شود و بنابراین ماده مناسبی برای این مطالعه است.38،42 این دستگاه‌ها در جدول 1 در زیر فهرست شده‌اند.
مراحل ساخت راکتور (1) زیرلایه Al 6061 (2) ساخت کانال پایینی که روی فویل مسی قرار گرفته است (3) تعبیه ترموکوپل‌ها بین لایه‌ها (4) کانال بالایی (5) ورودی و خروجی (6) راکتور یکپارچه.
فلسفه طراحی مسیر سیال، استفاده از یک مسیر پیچ‌درپیچ برای افزایش مسافت طی‌شده توسط سیال درون تراشه، در عین حفظ اندازه قابل کنترل تراشه است. این افزایش فاصله برای افزایش زمان برهمکنش کاتالیزور/واکنشگر و ارائه بازده عالی محصول مطلوب است. تراشه‌ها از خم‌های 90 درجه در انتهای مسیر مستقیم استفاده می‌کنند تا اختلاط آشفته را در داخل دستگاه44 القا کنند و زمان تماس سیال با سطح (کاتالیزور) را افزایش دهند. برای افزایش بیشتر اختلاط قابل دستیابی، طراحی راکتور دارای دو ورودی واکنشگر است که قبل از ورود به بخش اختلاط مارپیچی، در محل اتصال Y با هم ترکیب می‌شوند. ورودی سوم، که در نیمه راه جریان را قطع می‌کند، در طراحی سنتزهای واکنش چند مرحله‌ای آینده گنجانده شده است.
تمام کانال‌ها دارای پروفیل مربعی (بدون زاویه پیش‌آمدگی) هستند که نتیجه فرزکاری CNC دوره‌ای مورد استفاده برای ایجاد هندسه کانال است. ابعاد کانال به گونه‌ای انتخاب شده‌اند که حجم خروجی بالایی (برای یک میکروراکتور) را تضمین کنند، در حالی که به اندازه کافی کوچک باشند تا تعاملات سطحی (کاتالیزورها) را برای بیشتر سیالات موجود تسهیل کنند. اندازه مناسب بر اساس تجربه گذشته نویسندگان با دستگاه‌های فلزی-سیالی برای واکنش است. ابعاد داخلی کانال نهایی 750 میکرومتر در 750 میکرومتر و حجم کل راکتور 1 میلی‌لیتر بود. یک رابط یکپارچه (رزوه UNF 1/4 اینچ - 28) در طراحی گنجانده شده است تا امکان اتصال ساده دستگاه با تجهیزات شیمی جریان تجاری فراهم شود. اندازه کانال توسط ضخامت ماده فویل، خواص مکانیکی آن و پارامترهای اتصال مورد استفاده با اولتراسونیک محدود می‌شود. در یک عرض خاص برای یک ماده معین، ماده به داخل کانال ایجاد شده "خم" می‌شود. در حال حاضر هیچ مدل خاصی برای این محاسبه وجود ندارد، بنابراین حداکثر عرض کانال برای یک ماده و طرح معین به صورت تجربی تعیین می‌شود. در این حالت، عرض ۷۵۰ میکرومتر باعث افتادگی نمی‌شود.
شکل (مربع) کانال با استفاده از یک برش‌دهنده مربعی تعیین می‌شود. شکل و اندازه کانال‌ها را می‌توان با استفاده از دستگاه‌های CNC با استفاده از ابزارهای برش مختلف تغییر داد تا نرخ جریان و ویژگی‌های متفاوتی به دست آید. نمونه‌ای از ایجاد یک کانال منحنی شکل با استفاده از ابزار 125 میکرومتری را می‌توان در کار Monaghan45 یافت. هنگامی که لایه فویل به صورت مسطح رسوب داده می‌شود، روکش مواد فویل روی کانال‌ها دارای یک سطح صاف (مربعی) خواهد بود. در این کار، برای حفظ تقارن کانال، از یک طرح کلی مربعی استفاده شد.
در طول یک وقفه از پیش برنامه‌ریزی‌شده در تولید، پروب‌های دمایی ترموکوپل (نوع K) مستقیماً درون دستگاه بین گروه‌های کانال بالایی و پایینی تعبیه شده‌اند (شکل 1 - مرحله 3). این ترموکوپل‌ها می‌توانند تغییرات دما را از 200- تا 1350 درجه سانتیگراد کنترل کنند.
فرآیند رسوب فلز توسط یک هورن UAM با استفاده از یک فویل فلزی به عرض ۲۵.۴ میلی‌متر و ضخامت ۱۵۰ میکرون انجام می‌شود. این لایه‌های فویل به صورت مجموعه‌ای از نوارهای مجاور به هم متصل می‌شوند تا کل ناحیه ساخت را بپوشانند. اندازه ماده رسوب‌شده از محصول نهایی بزرگتر است زیرا فرآیند کاهشی شکل نهایی خالص را ایجاد می‌کند. از ماشینکاری CNC برای ماشینکاری خطوط خارجی و داخلی تجهیزات استفاده می‌شود که منجر به پرداخت سطحی تجهیزات و کانال‌ها برابر با ابزار انتخاب‌شده و پارامترهای فرآیند CNC (تقریباً ۱.۶ میکرومتر Ra در این مثال) می‌شود. چرخه‌های رسوب و ماشینکاری اولتراسونیک مداوم و پیوسته در طول فرآیند ساخت دستگاه استفاده می‌شود تا از حفظ دقت ابعادی و رسیدن قطعه نهایی به سطوح دقت فرزکاری CNC اطمینان حاصل شود. عرض کانال مورد استفاده برای این دستگاه به اندازه کافی کوچک است تا اطمینان حاصل شود که ماده فویل به داخل کانال سیال "خم نمی‌شود" و کانال یک مقطع مربعی را حفظ می‌کند. شکاف‌های احتمالی در ماده فویل و پارامترهای فرآیند UAM به صورت تجربی توسط یک شریک تولیدی (Fabrisonic LLC، ایالات متحده آمریکا) تعیین شد.
مطالعات نشان داده‌اند که بدون عملیات حرارتی اضافی، نفوذ عنصری کمی در فصل مشترک پیوند UAM 46، 47 رخ می‌دهد، بنابراین برای دستگاه‌های مورد استفاده در این کار، لایه Cu-110 از لایه Al 6061 متمایز باقی می‌ماند و به طور ناگهانی تغییر می‌کند.
یک رگولاتور فشار برگشتی (BPR) از پیش کالیبره شده ۲۵۰ psi (۱۷۲۴ kPa) را به خروجی راکتور نصب کنید و آب را با سرعت ۰.۱ تا ۱ میلی‌لیتر در دقیقه از طریق راکتور پمپ کنید. فشار راکتور با استفاده از سنسور فشار داخلی سیستم FlowSyn پایش شد تا تأیید شود که سیستم می‌تواند فشار ثابت و پایداری را حفظ کند. گرادیان‌های دمایی بالقوه در سراسر راکتور جریان با شناسایی هرگونه تفاوت بین ترموکوپل‌های تعبیه شده در راکتور و ترموکوپل‌های تعبیه شده در صفحه گرمایش تراشه FlowSyn آزمایش شدند. این کار با تغییر دمای صفحه داغ قابل برنامه‌ریزی بین ۱۰۰ تا ۱۵۰ درجه سانتیگراد با گام‌های ۲۵ درجه سانتیگراد و ثبت هرگونه تفاوت بین دماهای برنامه‌ریزی شده و ثبت شده انجام می‌شود. این کار با استفاده از یک ثبت‌کننده داده tc-08 (PicoTech، کمبریج، انگلستان) و نرم‌افزار PicoLog همراه آن انجام شد.
شرایط واکنش حلقه‌زایی فنیل استیلن و یدواتان بهینه شد (طرح 1- حلقه‌زایی فنیل استیلن و یدواتان). این بهینه‌سازی با رویکرد طراحی آزمایش‌ها (DOE) به صورت فاکتوریل کامل، با استفاده از دما و زمان اقامت به عنوان پارامترهای متغیر، در حالی که نسبت آلکین:آزید روی 1:2 ثابت نگه داشته شده بود، انجام شد.
محلول‌های جداگانه‌ای از سدیم آزید (0.25 مولار، 4:1 DMF:H2O)، یدو اتان (0.25 مولار، DMF) و فنیل استیلن (0.125 مولار، DMF) تهیه شدند. 1.5 میلی‌لیتر از هر محلول مخلوط و با سرعت جریان و دمای مورد نظر از طریق راکتور پمپ شد. پاسخ مدل به عنوان نسبت مساحت پیک محصول تریازول به ماده اولیه فنیل استیلن در نظر گرفته شد و با کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا (HPLC) تعیین شد. برای هماهنگی تجزیه و تحلیل، از همه واکنش‌ها درست پس از خروج مخلوط واکنش از راکتور نمونه‌برداری شد. محدوده پارامترهای انتخاب شده برای بهینه‌سازی در جدول 2 نشان داده شده است.
تمام نمونه‌ها با استفاده از سیستم کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا (HPLC) کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا (VWR، پنسیلوانیا، ایالات متحده) متشکل از یک پمپ چهارتایی، آون ستون، آشکارساز UV با طول موج متغیر و نمونه‌گیر خودکار مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند. ستون یک Equivalence 5 C18 (VWR، پنسیلوانیا، ایالات متحده)، با اندازه 4.6 × 100 میلی‌متر، اندازه ذرات 5 میکرومتر، در دمای 40 درجه سانتیگراد نگهداری شد. حلال، ایزوکراتیک 50:50 متانول:آب با سرعت جریان 1.5 میلی‌لیتر در دقیقه بود. حجم تزریق 5 میکرولیتر و طول موج آشکارساز 254 نانومتر بود. درصد مساحت پیک برای نمونه DOE فقط از مساحت پیک‌های محصولات آلکین و تریازول باقیمانده محاسبه شد. تزریق ماده اولیه امکان شناسایی پیک‌های مربوطه را فراهم می‌کند.
اتصال خروجی تحلیل راکتور به نرم‌افزار MODDE DOE (Umetrics، مالمو، سوئد) امکان تجزیه و تحلیل کامل روند نتایج و تعیین شرایط بهینه واکنش برای این حلقه‌زایی را فراهم کرد. اجرای بهینه‌ساز داخلی و انتخاب تمام عبارات مهم مدل، مجموعه‌ای از شرایط واکنش را ایجاد می‌کند که برای به حداکثر رساندن مساحت پیک محصول و در عین حال کاهش مساحت پیک برای ماده اولیه استیلن طراحی شده‌اند.
اکسیداسیون مس سطحی در محفظه واکنش کاتالیزوری با استفاده از محلول پراکسید هیدروژن (36٪) که از محفظه واکنش عبور می‌کرد (سرعت جریان = 0.4 میلی‌لیتر در دقیقه، زمان اقامت = 2.5 دقیقه) قبل از سنتز هر کتابخانه ترکیب تریازول انجام شد.
پس از شناسایی مجموعه‌ای بهینه از شرایط، آنها را بر روی طیف وسیعی از مشتقات استیلن و هالوآلکان اعمال کردند تا امکان گردآوری یک سنتز کتابخانه کوچک فراهم شود و بدین ترتیب توانایی اعمال این شرایط بر روی طیف وسیع‌تری از واکنشگرهای بالقوه ایجاد شود (شکل 1).2).
محلول‌های جداگانه‌ای از سدیم آزید (0.25 مولار، 4:1 DMF:H2O)، هالوآلکان‌ها (0.25 مولار، DMF) و آلکین‌ها (0.125 مولار، DMF) تهیه کنید. 3 میلی‌لیتر از هر محلول مخلوط شده و با سرعت 75 میکرولیتر در دقیقه و دمای 150 درجه سانتیگراد از طریق راکتور پمپ شد. حجم کل در یک ویال جمع‌آوری و با 10 میلی‌لیتر اتیل استات رقیق شد. محلول نمونه با 3 × 10 میلی‌لیتر آب شسته شد. لایه‌های آبی با 10 میلی‌لیتر اتیل استات ترکیب و استخراج شدند. سپس لایه‌های آلی با هم ترکیب شدند، با 3 × 10 میلی‌لیتر آب نمک شسته شدند، روی MgSO4 خشک و فیلتر شدند، سپس حلال در خلاء حذف شد. نمونه‌ها قبل از تجزیه و تحلیل با ترکیبی از HPLC، 1H NMR، 13C NMR و طیف‌سنجی جرمی با وضوح بالا (HR-MS) با استفاده از کروماتوگرافی ستونی روی ژل سیلیکا با استفاده از اتیل استات خالص‌سازی شدند.
تمام طیف‌ها با استفاده از طیف‌سنج جرمی با وضوح Orbitrap دقیق Thermofischer با ESI به عنوان منبع یونیزاسیون به دست آمدند. تمام نمونه‌ها با استفاده از استونیتریل به عنوان حلال تهیه شدند.
آنالیز TLC روی صفحات سیلیکاتی با پشتی آلومینیومی انجام شد. صفحات با نور UV (254 نانومتر) یا رنگ‌آمیزی و حرارت دادن با وانیلین قابل مشاهده بودند.
تمام نمونه‌ها با استفاده از یک سیستم VWR Chromaster (VWR International Ltd.، Leighton Buzzard، UK) مجهز به نمونه‌گیر خودکار، پمپ دوتایی ستونی و آشکارساز تک طول موج مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند. ستون مورد استفاده یک ACE Equivalence 5 C18 (150 × 4.6 میلی‌متر، Advanced Chromatography Technologies Ltd.، Aberdeen، Scotland) بود.
تزریق‌ها (5 میکرولیتر) مستقیماً از مخلوط واکنش خام رقیق‌شده (رقت 1:10) ساخته شدند و با آب:متانول (50:50 یا 70:30) آنالیز شدند، به جز برخی از نمونه‌ها که از سیستم حلال 70:30 (با شماره ستاره مشخص شده‌اند) با سرعت جریان 1.5 میلی‌لیتر در دقیقه استفاده کردند. ستون در دمای 40 درجه سانتیگراد نگه داشته شد. طول موج آشکارساز 254 نانومتر است.
درصد مساحت پیک نمونه از مساحت پیک آلکین باقیمانده، فقط محصول تریازول، محاسبه شد و تزریق ماده اولیه امکان شناسایی پیک‌های مربوطه را فراهم کرد.
تمام نمونه‌ها با استفاده از Thermo iCAP 6000 ICP-OES آنالیز شدند. تمام استانداردهای کالیبراسیون با استفاده از محلول استاندارد 1000 ppm Cu در 2٪ اسید نیتریک (SPEX Certi Prep) تهیه شدند. تمام استانداردها در محلول 5٪ DMF و 2٪ HNO3 تهیه شدند و تمام نمونه‌ها در محلول نمونه DMF-HNO3 به میزان 20 برابر رقیق شدند.
UAM از جوشکاری فلز اولتراسونیک به عنوان یک تکنیک اتصال برای ماده فویل فلزی مورد استفاده برای ساخت مجموعه نهایی استفاده می‌کند. جوشکاری فلز اولتراسونیک از یک ابزار فلزی ارتعاشی (به نام شاخ یا هورن اولتراسونیک) برای اعمال فشار به لایه فویل/لایه قبلاً تثبیت شده برای اتصال در حین ارتعاش ماده استفاده می‌کند. برای عملکرد مداوم، سونوترود استوانه‌ای است و روی سطح ماده می‌غلتد و کل ناحیه را به هم متصل می‌کند. هنگامی که فشار و لرزش اعمال می‌شود، اکسیدهای روی سطح ماده می‌توانند ترک بخورند. فشار و لرزش مداوم می‌تواند باعث فروپاشی ناهمواری‌های ماده شود 36. تماس نزدیک با گرما و فشار القا شده محلی منجر به اتصال حالت جامد در رابط‌های مواد می‌شود. همچنین می‌تواند از طریق تغییرات در انرژی سطح به چسبندگی کمک کند48. ماهیت مکانیسم اتصال بر بسیاری از مشکلات مرتبط با دمای ذوب متغیر و اثرات بعدی دمای بالا که در سایر تکنیک‌های تولید افزایشی ذکر شده است، غلبه می‌کند. این امر امکان اتصال مستقیم (یعنی بدون اصلاح سطح، پرکننده‌ها یا چسب‌ها) لایه‌های متعدد از مواد مختلف را در یک ساختار تثبیت شده واحد فراهم می‌کند.
دومین عامل مطلوب برای UAM، درجه بالای جریان پلاستیک مشاهده شده در مواد فلزی، حتی در دماهای پایین، یعنی بسیار پایین‌تر از نقطه ذوب مواد فلزی است. ترکیب نوسان اولتراسونیک و فشار، سطوح بالایی از مهاجرت مرز دانه محلی و تبلور مجدد را بدون افزایش دمای زیاد که به طور سنتی با مواد فله‌ای مرتبط است، القا می‌کند. در طول ساخت مجموعه نهایی، می‌توان از این پدیده برای جاسازی اجزای فعال و غیرفعال بین لایه‌های فویل فلزی، لایه به لایه، استفاده کرد. عناصری مانند فیبرهای نوری 49، تقویت‌کننده‌ها 46، قطعات الکترونیکی 50 و ترموکوپل‌ها (این کار) همگی با موفقیت در ساختارهای UAM جاسازی شده‌اند تا مجموعه‌های کامپوزیتی فعال و غیرفعال ایجاد کنند.
در این کار، از هر دو امکان پیوند مواد مختلف و امکان بین لایه‌ای شدن UAM برای ایجاد میکروراکتور نهایی پایش دمای کاتالیزوری استفاده شده است.
در مقایسه با پالادیوم (Pd) و سایر کاتالیزورهای فلزی رایج، کاتالیز مس مزایای متعددی دارد: (i) از نظر اقتصادی، مس نسبت به بسیاری از فلزات دیگر مورد استفاده در کاتالیز ارزان‌تر است و بنابراین گزینه‌ای جذاب برای صنعت فرآوری شیمیایی است. (ii) طیف واکنش‌های جفت شدن متقاطع کاتالیز شده با مس در حال افزایش است و به نظر می‌رسد تا حدودی مکمل روش‌های مبتنی بر Pd باشد.51،52،53 (iii) واکنش‌های کاتالیز شده با مس در غیاب سایر لیگاندها به خوبی کار می‌کنند. این لیگاندها اغلب از نظر ساختاری ساده و در صورت تمایل ارزان هستند، در حالی که لیگاندهای مورد استفاده در شیمی Pd اغلب پیچیده، گران و حساس به هوا هستند. (iv) مس، به ویژه به دلیل توانایی‌اش در اتصال آلکین‌ها در سنتز شناخته شده است. به عنوان مثال، جفت شدن و حلقه‌زایی سونوگاشیرا کاتالیز شده با دو فلز با آزیدها (شیمی کلیک) (v) مس همچنین قادر به افزایش آریلاسیون چندین نوکلئوفیل در واکنش‌های نوع اولمان است.
نمونه‌هایی از ناهمگن‌سازی همه این واکنش‌ها اخیراً در حضور Cu(0) نشان داده شده است. این امر عمدتاً به دلیل صنعت داروسازی و تمرکز روزافزون بر بازیابی و استفاده مجدد از کاتالیزور فلزی است55،56.
واکنش حلقه‌زایی 1،3-دوقطبی بین استیلن و آزید و تشکیل 1،2،3-تری‌آزول که توسط هویسگن در دهه 1960 پیشگام شد57، یک واکنش نمایشی سینرژیک در نظر گرفته می‌شود. بخش‌های 1،2،3 تری‌آزول حاصل به دلیل کاربردهای بیولوژیکی و استفاده در عوامل درمانی مختلف، به عنوان فارماکوفور در زمینه کشف دارو مورد توجه ویژه هستند58.
این واکنش دوباره زمانی مورد توجه قرار گرفت که شارپلس و دیگران مفهوم «شیمی کلیک» را معرفی کردند59. اصطلاح «شیمی کلیک» برای توصیف مجموعه‌ای قوی، قابل اعتماد و انتخابی از واکنش‌ها برای سنتز سریع ترکیبات جدید و کتابخانه‌های ترکیبی از طریق پیوند هترواتم (CXC)60 استفاده می‌شود. جذابیت سنتزی این واکنش‌ها ناشی از بازده بالای مرتبط با آنها، شرایط واکنش ساده، مقاومت در برابر اکسیژن و آب و جداسازی ساده محصول61 است.
واکنش حلقه‌زایی کلاسیک ۱،۳-دوقطبی هویسگن به دسته «شیمی کلیک» تعلق ندارد. با این حال، مدال و شارپلس نشان دادند که این رویداد جفت شدن آزید-آلکین در حضور Cu(I) در مقایسه با واکنش حلقه‌زایی ۱،۳-دوقطبی کاتالیز نشده، شتاب سرعت قابل توجهی را تجربه می‌کند. این مکانیسم واکنش بهبود یافته نیازی به گروه‌های محافظ یا شرایط واکنش سخت ندارد و تبدیل و گزینش‌پذیری تقریباً کاملی را به ۱،۴-دی‌استخلاف‌شده ۱،۲،۳-تری‌آزول‌ها (ضد ۱،۲،۳-تری‌آزول) در مقیاس زمانی ارائه می‌دهد (شکل ۳).
نتایج ایزومتریک حلقه‌زایی‌های هویسگن معمولی و کاتالیز شده با مس. حلقه‌زایی‌های هویسگن کاتالیز شده با مس (I) فقط 1،4-دی‌استخلاف‌شده 1،2،3-تری‌آزول تولید می‌کنند، در حالی که حلقه‌زایی‌های هویسگن القا شده با حرارت معمولاً مخلوطی از 1،4- و 1،5-تری‌آزول با نسبت 1:1 از ایزومرهای فضایی آزول‌ها تولید می‌کنند.
بیشتر پروتکل‌ها شامل کاهش منابع پایدار Cu(II) مانند کاهش CuSO4 یا ترکیب همزمان گونه‌های Cu(II)/Cu(0) با نمک‌های سدیم هستند. در مقایسه با سایر واکنش‌های کاتالیز شده با فلز، استفاده از Cu(I) مزایای عمده‌ای از جمله ارزان بودن و سهولت استفاده را دارد.
مطالعات نشان‌گذاری سینتیکی و ایزوتوپی توسط وورل و همکارانش 65 نشان داد که در مورد آلکین‌های انتهایی، دو معادل مس در فعال‌سازی واکنش‌پذیری هر مولکول به سمت آزید نقش دارند. مکانیسم پیشنهادی از طریق یک حلقه فلزی مس شش عضوی که با کئوردیناسیون آزید به استیلید مس با پیوند σ و مس با پیوند π به عنوان یک لیگاند دهنده پایدار تشکیل شده است، پیش می‌رود. مشتقات مس تریازولیل با انقباض حلقه و به دنبال آن تجزیه پروتون برای تولید محصولات تریازول و بستن چرخه کاتالیزوری تشکیل می‌شوند.
اگرچه مزایای دستگاه‌های شیمی جریان به خوبی مستند شده است، اما تمایل به ادغام ابزارهای تحلیلی در این سیستم‌ها برای نظارت بر فرآیند به صورت درجا و در خط تولید وجود داشته است66،67. UAM روشی مناسب برای طراحی و تولید راکتورهای جریان سه‌بعدی بسیار پیچیده ساخته شده از مواد کاتالیزوری فعال و رسانای حرارتی با عناصر حسگر تعبیه شده مستقیم است (شکل 4).
راکتور جریان آلومینیوم-مس ساخته شده با روش تولید افزایشی اولتراسونیک (UAM) با ساختار کانال داخلی پیچیده، ترموکوپل‌های تعبیه شده و محفظه واکنش کاتالیزوری. برای تجسم مسیرهای سیال داخلی، یک نمونه اولیه شفاف ساخته شده با استفاده از استریولیتوگرافی نیز نشان داده شده است.
برای اطمینان از اینکه راکتورها برای واکنش‌های آلی آینده ساخته شده‌اند، حلال‌ها باید به طور ایمن بالاتر از نقطه جوش گرم شوند؛ آنها تحت آزمایش فشار و دما قرار می‌گیرند. آزمایش فشار نشان داد که سیستم حتی با افزایش فشار سیستم (1.7 مگاپاسکال) فشار پایدار و ثابتی را حفظ می‌کند. آزمایش هیدرواستاتیک در دمای اتاق با استفاده از H2O به عنوان سیال انجام شد.
اتصال ترموکوپل تعبیه‌شده (شکل 1) به دستگاه ثبت اطلاعات دما نشان داد که ترموکوپل 6 درجه سانتیگراد (± 1 درجه سانتیگراد) خنک‌تر از دمای برنامه‌ریزی‌شده در سیستم FlowSyn است. به‌طور معمول، افزایش 10 درجه سانتیگراد دما منجر به دو برابر شدن سرعت واکنش می‌شود، بنابراین اختلاف دمایی تنها چند درجه می‌تواند سرعت واکنش را به‌طور قابل‌توجهی تغییر دهد. این تفاوت به دلیل افت دما در سراسر بدنه راکتور به دلیل ضریب نفوذ حرارتی بالای مواد مورد استفاده در فرآیند تولید است. این رانش حرارتی ثابت است و بنابراین می‌توان آن را در تنظیمات تجهیزات در نظر گرفت تا از رسیدن به دماهای دقیق و اندازه‌گیری آنها در طول واکنش اطمینان حاصل شود. بنابراین، این ابزار نظارت آنلاین، کنترل دقیق دمای واکنش را تسهیل می‌کند و بهینه‌سازی دقیق‌تر فرآیند و توسعه شرایط بهینه را تسهیل می‌کند. این حسگرها همچنین می‌توانند برای شناسایی گرمازاهای واکنش و جلوگیری از واکنش‌های فرار در سیستم‌های در مقیاس بزرگ استفاده شوند.
راکتور ارائه شده در این کار اولین نمونه از کاربرد فناوری UAM در ساخت راکتورهای شیمیایی است و چندین محدودیت عمده‌ای را که در حال حاضر با چاپ AM/3D این دستگاه‌ها مرتبط است، برطرف می‌کند، مانند: (i) غلبه بر مشکلات گزارش شده مربوط به پردازش آلیاژ مس یا آلومینیوم (ii) بهبود وضوح کانال داخلی در مقایسه با تکنیک‌های همجوشی بستر پودر (PBF) مانند ذوب لیزری انتخابی (SLM)25،69 (iii) کاهش دمای پردازش، که اتصال مستقیم حسگرها را تسهیل می‌کند، که در فناوری بستر پودر امکان‌پذیر نیست، (v) غلبه بر خواص مکانیکی ضعیف و حساسیت اجزای مبتنی بر پلیمر به انواع حلال‌های آلی رایج17،19.
عملکرد این راکتور با مجموعه‌ای از واکنش‌های حلقه‌زایی آلکین آزید کاتالیز شده با مس در شرایط جریان پیوسته نشان داده شد (شکل 2). راکتور مسی چاپ‌شده با اولتراسونیک که جزئیات آن در شکل 4 آمده است، با یک سیستم جریان تجاری ادغام شد و برای سنتز آزیدهای کتابخانه‌ای از 1،4-دی‌استخلاف‌های مختلف 1،2،3-تری‌آزول از طریق واکنش کنترل‌شده با دما از استیلن و هالیدهای گروه‌های آلکیل در حضور کلرید سدیم استفاده شد (شکل 3). استفاده از رویکرد جریان پیوسته، نگرانی‌های ایمنی را که می‌تواند در فرآیندهای دسته‌ای ایجاد شود، کاهش می‌دهد، زیرا این واکنش واسطه‌های آزید بسیار واکنش‌پذیر و خطرناک تولید می‌کند [317]، [318]. در ابتدا، واکنش برای حلقه‌زایی فنیل‌استیلن و یدواتان بهینه شد (طرح 1 - حلقه‌زایی فنیل‌استیلن و یدواتان) (شکل 5 را ببینید).
(بالا سمت چپ) شماتیک چیدمان مورد استفاده برای ادغام راکتور 3DP در سیستم جریان (بالا سمت راست) که در طرح بهینه شده (پایین) طرح حلقه‌زایی هویسگن 57 بین فنیل استیلن و یدواتان برای بهینه‌سازی و نمایش پارامترهای بهینه نرخ تبدیل واکنش به دست آمده است.
با کنترل زمان اقامت واکنش‌دهنده‌ها در بخش کاتالیزوری راکتور و نظارت دقیق بر دمای واکنش با یک پروب ترموکوپل که مستقیماً یکپارچه شده است، می‌توان شرایط واکنش را به سرعت و با دقت و با حداقل زمان و مصرف مواد بهینه کرد. به سرعت مشخص شد که بالاترین تبدیل‌ها زمانی حاصل می‌شوند که از زمان اقامت ۱۵ دقیقه و دمای واکنش ۱۵۰ درجه سانتیگراد استفاده شود. از نمودار ضرایب نرم‌افزار MODDE، می‌توان دریافت که هم زمان اقامت و هم دمای واکنش، عبارات مهم مدل در نظر گرفته می‌شوند. اجرای بهینه‌ساز داخلی با استفاده از این عبارات انتخاب شده، مجموعه‌ای از شرایط واکنش را ایجاد می‌کند که برای به حداکثر رساندن مساحت پیک محصول و در عین حال کاهش مساحت پیک ماده اولیه طراحی شده‌اند. این بهینه‌سازی منجر به تبدیل ۵۳٪ از محصول تری‌آزول شد که با پیش‌بینی مدل ۵۴٪ مطابقت نزدیکی داشت.
بر اساس مقالاتی که نشان می‌دهند اکسید مس (I) (Cu2O) می‌تواند به عنوان یک گونه کاتالیزوری مؤثر بر روی سطوح مس صفر ظرفیتی در این واکنش‌ها عمل کند، توانایی پیش‌اکسید کردن سطح راکتور قبل از انجام واکنش در جریان بررسی شد70،71. سپس واکنش بین فنیل استیلن و یدواتان دوباره تحت شرایط بهینه انجام شد و بازده‌ها مقایسه شدند. مشاهده شد که این آماده‌سازی منجر به افزایش قابل توجهی در تبدیل ماده اولیه شد که بیش از 99٪ محاسبه شد. با این حال، نظارت با HPLC نشان داد که این تبدیل به طور قابل توجهی زمان واکنش بیش از حد طولانی را تا تقریباً 90 دقیقه کاهش داد، که پس از آن به نظر می‌رسد فعالیت ثابت شده و به "حالت پایدار" می‌رسد. این مشاهده نشان می‌دهد که منبع فعالیت کاتالیزوری از اکسید مس سطحی به جای زیرلایه مس صفر ظرفیتی به دست می‌آید. فلز مس به راحتی در دمای اتاق اکسید می‌شود و CuO و Cu2O را تشکیل می‌دهد که لایه‌های خود محافظ نیستند. این امر نیاز به افزودن یک منبع کمکی مس (II) برای ترکیب مشترک را از بین می‌برد71.