ขอขอบคุณที่เยี่ยมชม Nature.com เวอร์ชันเบราว์เซอร์ที่คุณใช้มีการรองรับ CSS อย่างจำกัด เพื่อประสบการณ์ที่ดีที่สุด เราขอแนะนำให้คุณใช้เบราว์เซอร์ที่อัปเดตแล้ว (หรือปิดโหมดการทำงานร่วมกันใน Internet Explorer) ในระหว่างนี้ เพื่อให้มั่นใจว่ามีการรองรับอย่างต่อเนื่อง เราจะแสดงไซต์โดยไม่มีสไตล์และ JavaScript
การผลิตแบบเติมแต่งกำลังเปลี่ยนแปลงวิธีที่นักวิจัยและผู้ประกอบการอุตสาหกรรมออกแบบและผลิตอุปกรณ์เคมีเพื่อตอบสนองความต้องการเฉพาะของพวกเขา ในงานนี้ เราได้รายงานตัวอย่างแรกของเครื่องปฏิกรณ์การไหลที่ก่อตัวขึ้นโดยใช้เทคนิคการเคลือบแผ่นโลหะแบบโซลิดสเตตที่เรียกว่า การผลิตแบบเติมแต่งด้วยคลื่นเสียงความถี่สูง (UAM) โดยใช้ชิ้นส่วนเร่งปฏิกิริยาและองค์ประกอบการตรวจจับที่บูรณาการโดยตรง เทคโนโลยี UAM ไม่เพียงแต่เอาชนะข้อจำกัดต่างๆ มากมายที่ปัจจุบันเกี่ยวข้องกับการผลิตแบบเติมแต่งของเครื่องปฏิกรณ์เคมีเท่านั้น แต่ยังช่วยเพิ่มความสามารถของอุปกรณ์ดังกล่าวได้อย่างมากอีกด้วย สารประกอบ 1,2,3-ไตรอะโซลที่มีความสำคัญทางชีวภาพจำนวนหนึ่งที่มีการแทนที่ 1,4 ได้รับการสังเคราะห์และปรับให้เหมาะสมได้สำเร็จโดยปฏิกิริยาไซโคลแอดดิชันไดโพลาร์ 1,3 ของ Huisgen ที่มี Cu เป็นสื่อกลางโดยใช้การตั้งค่าเคมี UAM โดยใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติเฉพาะตัวของ UAM และการประมวลผลการไหลต่อเนื่อง อุปกรณ์นี้สามารถเร่งปฏิกิริยาที่กำลังดำเนินอยู่ได้ พร้อมทั้งให้ข้อมูลตอบรับแบบเรียลไทม์สำหรับการติดตามและปรับให้เหมาะสมปฏิกิริยาอีกด้วย
เนื่องจากมีข้อได้เปรียบที่สำคัญเหนือสารเคมีแบบรวม เคมีการไหลจึงเป็นสาขาที่สำคัญและเติบโตทั้งในแวดวงวิชาการและอุตสาหกรรม เนื่องจากสามารถเพิ่มการคัดเลือกและประสิทธิภาพของการสังเคราะห์สารเคมีได้ ซึ่งขยายจากการก่อตัวของโมเลกุลอินทรีย์ที่เรียบง่าย1 ไปจนถึงสารประกอบยา2,3 และผลิตภัณฑ์จากธรรมชาติ4,5,6 ปฏิกิริยามากกว่า 50% ในอุตสาหกรรมเคมีและเภสัชกรรมชั้นดีสามารถได้รับประโยชน์จากการใช้กระบวนการไหลต่อเนื่อง7
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีแนวโน้มที่เพิ่มขึ้นของกลุ่มต่างๆ ที่มองหาการเปลี่ยนอุปกรณ์แก้วหรืออุปกรณ์เคมีการไหลแบบเดิมด้วย "ภาชนะปฏิกิริยา" เคมีการผลิตแบบเติมแต่ง (AM) ที่ปรับแต่งได้8 การออกแบบแบบวนซ้ำ การผลิตที่รวดเร็ว และความสามารถในสามมิติ (3D) ของเทคนิคเหล่านี้เป็นประโยชน์สำหรับผู้ที่ต้องการปรับแต่งอุปกรณ์ของตนให้เข้ากับชุดของปฏิกิริยา อุปกรณ์ หรือเงื่อนไขเฉพาะ จนถึงปัจจุบัน งานนี้มุ่งเน้นเกือบทั้งหมดไปที่การใช้เทคนิคการพิมพ์สามมิติที่ใช้โพลีเมอร์ เช่น สเตอริโอลีโธกราฟี (SL)9,10,11, การสร้างแบบจำลองการสะสมแบบหลอมรวม (FDM)8,12,13,14 และการพิมพ์อิงค์เจ็ท7, 15, 16 การขาดความแข็งแกร่งและความสามารถของอุปกรณ์ดังกล่าวในการทำปฏิกิริยา/การวิเคราะห์ทางเคมีในช่วงกว้าง17, 18, 19, 20 เป็นปัจจัยจำกัดที่สำคัญสำหรับการนำ AM ไปใช้ในสาขานี้อย่างแพร่หลาย17, 18, 19, 20
เนื่องจากการใช้เคมีการไหลเพิ่มมากขึ้นและคุณสมบัติที่ดีที่เกี่ยวข้องกับ AM จึงมีความจำเป็นที่จะต้องสำรวจเทคนิคขั้นสูงมากขึ้นที่ช่วยให้ผู้ใช้สามารถสร้างภาชนะปฏิกิริยาการไหลที่มีความสามารถในการทางเคมีและการวิเคราะห์ที่เพิ่มขึ้น เทคนิคเหล่านี้ควรช่วยให้ผู้ใช้สามารถเลือกจากวัสดุที่มีความทนทานและใช้งานได้ดีหลากหลาย ซึ่งสามารถจัดการกับสภาวะปฏิกิริยาที่หลากหลายได้ ขณะเดียวกันก็อำนวยความสะดวกให้กับรูปแบบต่างๆ ของผลลัพธ์การวิเคราะห์จากอุปกรณ์ เพื่อให้สามารถติดตามและควบคุมปฏิกิริยาได้
กระบวนการผลิตแบบเติมแต่งหนึ่งกระบวนการที่มีศักยภาพในการพัฒนาเครื่องปฏิกรณ์เคมีแบบกำหนดเองคือการผลิตแบบเติมแต่งด้วยคลื่นอัลตราโซนิก (UAM) เทคนิคการเคลือบแผ่นโซลิดสเตตนี้ใช้การสั่นของคลื่นอัลตราโซนิกกับแผ่นโลหะบางเพื่อเชื่อมเข้าด้วยกันเป็นชั้นๆ โดยให้ความร้อนในปริมาณน้อยที่สุดและมีการไหลของพลาสติกในระดับสูง 21 , 22 , 23 ซึ่งแตกต่างจากเทคโนโลยี AM อื่นๆ ส่วนใหญ่ UAM สามารถผสานรวมกับการผลิตแบบลบออกได้โดยตรง ซึ่งเรียกว่ากระบวนการผลิตแบบไฮบริด ซึ่งการกัดด้วยการควบคุมเชิงตัวเลขด้วยคอมพิวเตอร์ (CNC) เป็นระยะในสถานที่หรือการกลึงด้วยเลเซอร์จะกำหนดรูปร่างสุทธิของชั้นของวัสดุที่เชื่อมติดกัน 24, 25 ซึ่งหมายความว่าผู้ใช้จะไม่ถูกจำกัดด้วยปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการกำจัดวัสดุสร้างดิบที่เหลือจากช่องของเหลวขนาดเล็ก ซึ่งมักจะเป็นกรณีของระบบ AM แบบผงและของเหลว 26,27,28 อิสระในการออกแบบนี้ยังขยายไปถึงตัวเลือกวัสดุที่มีอยู่ด้วย – UAM สามารถเชื่อมวัสดุที่มีลักษณะคล้ายกันทางความร้อนและไม่เหมือนกันในขั้นตอนกระบวนการเดียว การเลือกวัสดุที่ผสมกันนอกเหนือจากกระบวนการหลอมหมายความว่าความต้องการทางกลและทางเคมีของ สามารถตอบสนองการใช้งานเฉพาะได้ดียิ่งขึ้น นอกเหนือจากการยึดติดแบบโซลิดสเตตแล้ว ปรากฏการณ์อีกอย่างหนึ่งที่พบระหว่างการยึดติดแบบอัลตราโซนิกก็คือ การไหลของวัสดุพลาสติกจำนวนมากที่อุณหภูมิที่ค่อนข้างต่ำ29,30,31,32,33 คุณลักษณะเฉพาะตัวของ UAM นี้สามารถช่วยอำนวยความสะดวกในการฝังองค์ประกอบทางกลไก/ความร้อนระหว่างชั้นโลหะโดยไม่เกิดความเสียหาย เซ็นเซอร์ที่ฝัง UAM สามารถช่วยอำนวยความสะดวกในการส่งมอบข้อมูลแบบเรียลไทม์จากอุปกรณ์ไปยังผู้ใช้ผ่านการวิเคราะห์แบบบูรณาการ
ผลงานที่ผ่านมาของผู้เขียน32 แสดงให้เห็นถึงความสามารถของกระบวนการ UAM ในการสร้างโครงสร้างไมโครฟลูอิดิกแบบ 3 มิติที่เป็นโลหะโดยมีความสามารถในการตรวจจับแบบบูรณาการ ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่ใช้สำหรับตรวจสอบเท่านั้น เอกสารนี้จะนำเสนอตัวอย่างแรกของเครื่องปฏิกรณ์เคมีแบบไมโครฟลูอิดิกที่ผลิตโดย UAM ซึ่งเป็นอุปกรณ์แอ็คทีฟที่ไม่เพียงแต่ตรวจสอบแต่ยังเหนี่ยวนำให้เกิดการสังเคราะห์ทางเคมีผ่านวัสดุตัวเร่งปฏิกิริยาที่ผสานรวมโครงสร้างด้วย อุปกรณ์นี้ผสมผสานข้อดีหลายประการที่เกี่ยวข้องกับเทคโนโลยี UAM ในการผลิตอุปกรณ์เคมี 3 มิติ เช่น ความสามารถในการแปลงการออกแบบ 3 มิติเต็มรูปแบบโดยตรงจากแบบจำลองการออกแบบด้วยความช่วยเหลือของคอมพิวเตอร์ (CAD) เป็นผลิตภัณฑ์ การผลิตวัสดุหลายชนิดเพื่อรวมวัสดุที่มีการนำความร้อนสูงและวัสดุตัวเร่งปฏิกิริยา และการฝังเซนเซอร์ความร้อนโดยตรงระหว่างสตรีมสารเคมีเพื่อการติดตามและควบคุมอุณหภูมิปฏิกิริยาที่แม่นยำ เพื่อสาธิตการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์ ได้มีการสังเคราะห์คลังสารประกอบ 1,2,3-ไตรอะโซลที่มีความสำคัญทางเภสัชกรรมซึ่งมี 1,4 แทนที่ โดยใช้ Huisgen 1,3-ไดโพลาร์ไซโคลแอดดิชันที่เร่งปฏิกิริยาด้วยทองแดง งานนี้เน้นย้ำถึงวิธีที่การใช้ประโยชน์จากวิทยาศาสตร์วัสดุและการออกแบบด้วยความช่วยเหลือของคอมพิวเตอร์สามารถเปิดโอกาสและความเป็นไปได้ใหม่ๆ สำหรับเคมีผ่านการวิจัยสหสาขาวิชาได้อย่างไร
ตัวทำละลายและสารเคมีทั้งหมดซื้อจาก Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI หรือ Fischer Scientific และใช้โดยไม่ได้ผ่านการทำให้บริสุทธิ์ก่อน สเปกตรัม NMR 1H และ 13C ที่บันทึกที่ 400 MHz และ 100 MHz ตามลำดับ ได้รับโดยใช้เครื่องสเปกโตรมิเตอร์ JEOL ECS-400 400 MHz หรือเครื่องสเปกโตรมิเตอร์ Bruker Avance II 400 MHz และ CDCl3 หรือ (CD3)2SO เป็นตัวทำละลาย ปฏิกิริยาทั้งหมดดำเนินการโดยใช้แพลตฟอร์มเคมีไหล Uniqsis FlowSyn
UAM ถูกนำมาใช้ในการผลิตอุปกรณ์ทั้งหมดในการศึกษานี้ เทคโนโลยีนี้ถูกคิดค้นขึ้นในปี 1999 และรายละเอียดทางเทคนิค พารามิเตอร์การทำงาน และการพัฒนาตั้งแต่การประดิษฐ์ขึ้นสามารถศึกษาได้จากเอกสารเผยแพร่ต่อไปนี้34,35,36,37อุปกรณ์ (รูปที่ 1) ถูกนำไปใช้งานโดยใช้ระบบ SonicLayer 4000® UAM ที่มีกำลังไฟฟ้าสูงเป็นพิเศษ 9 กิโลวัตต์ (Fabrisonic, OH, USA)วัสดุที่เลือกสำหรับการผลิตอุปกรณ์การไหลคือ Cu-110 และ Al 6061Cu-110 มีปริมาณทองแดงสูง (ทองแดงขั้นต่ำ 99.9%) ทำให้เป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับปฏิกิริยาที่เร่งปฏิกิริยาด้วยทองแดง และจึงใช้เป็น "ชั้นที่ใช้งานภายในไมโครรีแอคเตอร์" Al 6061 O ใช้เป็นวัสดุ "จำนวนมาก" นอกจากนี้ยังมีชั้นฝังที่ใช้ในการวิเคราะห์ การฝังส่วนประกอบเสริมโลหะผสมและสภาวะการอบอ่อนรวมกับชั้น Cu-110 Al 6061 O เป็นวัสดุที่มี ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเข้ากันได้ดีกับกระบวนการ UAM38, 39, 40, 41 และได้รับการทดสอบแล้วและพบว่ามีความเสถียรทางเคมีกับรีเอเจนต์ที่ใช้ในงานนี้ การผสม Al 6061O กับ Cu-110 ถือเป็นส่วนผสมของวัสดุที่เข้ากันได้สำหรับ UAM เช่นกัน ดังนั้นจึงเป็นวัสดุที่เหมาะสมสำหรับการศึกษาครั้งนี้38,42 อุปกรณ์เหล่านี้แสดงอยู่ในตารางที่ 1 ด้านล่าง
ขั้นตอนการผลิตเครื่องปฏิกรณ์ (1) วัสดุพื้นผิว Al 6061 (2) การผลิตชุดช่องด้านล่างบนแผ่นทองแดง (3) การฝังเทอร์โมคัปเปิลระหว่างชั้น (4) ช่องด้านบน (5) ทางเข้าและทางออก (6) เครื่องปฏิกรณ์แบบโมโนลิธิก
ปรัชญาการออกแบบเส้นทางของของไหลคือการใช้เส้นทางคดเคี้ยวเพื่อเพิ่มระยะทางที่ของไหลเดินทางภายในชิป ในขณะที่รักษาขนาดชิปให้สามารถจัดการได้ การเพิ่มระยะทางนี้เป็นสิ่งที่พึงปรารถนาเพื่อเพิ่มเวลาในการโต้ตอบระหว่างตัวเร่งปฏิกิริยา/รีเอเจนต์ และให้ผลผลิตที่ยอดเยี่ยม ชิปใช้ส่วนโค้ง 90° ที่ปลายเส้นทางตรงเพื่อเหนี่ยวนำการผสมแบบปั่นป่วนภายในอุปกรณ์44 และเพิ่มระยะเวลาสัมผัสของของไหลกับพื้นผิว (ตัวเร่งปฏิกิริยา) เพื่อเพิ่มการผสมที่สามารถทำได้ต่อไป การออกแบบเครื่องปฏิกรณ์จึงมีทางเข้าของรีเอเจนต์สองแห่งรวมกันที่จุดต่อ Y ก่อนที่จะเข้าสู่ส่วนการผสมแบบคดเคี้ยว ทางเข้าที่สาม ซึ่งตัดกับกระแสน้ำเมื่อผ่านจุดพัก จะรวมอยู่ในแบบการออกแบบของการสังเคราะห์ปฏิกิริยาหลายขั้นตอนในอนาคต
ช่องทั้งหมดมีรูปร่างเป็นสี่เหลี่ยม (ไม่มีมุมร่าง) ซึ่งเป็นผลมาจากการกัด CNC เป็นระยะที่ใช้ในการสร้างรูปทรงเรขาคณิตของช่อง ขนาดของช่องถูกเลือกเพื่อให้แน่ใจว่ามีปริมาณเอาต์พุตสูง (สำหรับไมโครรีแอคเตอร์) ในขณะที่มีขนาดเล็กพอที่จะอำนวยความสะดวกในการโต้ตอบกับพื้นผิว (ตัวเร่งปฏิกิริยา) สำหรับของเหลวส่วนใหญ่ที่บรรจุอยู่ ขนาดที่เหมาะสมนั้นขึ้นอยู่กับประสบการณ์ในอดีตของผู้เขียนกับอุปกรณ์โลหะ-ของไหลสำหรับปฏิกิริยา ขนาดภายในของช่องสุดท้ายคือ 750 µm x 750 µm และปริมาตรรวมของเครื่องปฏิกรณ์คือ 1 มล. มีตัวเชื่อมต่อแบบบูรณาการ (เกลียว 1/4″—28 UNF) ในการออกแบบเพื่อให้เชื่อมต่ออุปกรณ์กับอุปกรณ์เคมีการไหลเชิงพาณิชย์ได้อย่างง่ายดาย ขนาดช่องถูกจำกัดด้วยความหนาของวัสดุฟอยล์ คุณสมบัติทางกล และพารามิเตอร์การยึดติดที่ใช้กับอัลตราโซนิก ที่ความกว้างเฉพาะสำหรับวัสดุที่กำหนด วัสดุจะ "หย่อน" ลงในช่องที่สร้างขึ้น ในปัจจุบันยังไม่มีแบบจำลองเฉพาะสำหรับการคำนวณนี้ ดังนั้นความกว้างสูงสุดของช่องสำหรับวัสดุและการออกแบบที่กำหนดจึงถูกกำหนดขึ้นโดยการทดลอง ในกรณีนี้ ความกว้าง 750 μm จะไม่ทำให้เกิดการหย่อน
รูปร่าง (สี่เหลี่ยมจัตุรัส) ของช่องจะถูกกำหนดโดยใช้เครื่องตัดสี่เหลี่ยม รูปร่างและขนาดของช่องสามารถเปลี่ยนแปลงได้ด้วยเครื่อง CNC ที่ใช้เครื่องมือตัดที่แตกต่างกันเพื่อให้ได้อัตราการไหลและลักษณะที่แตกต่างกัน ตัวอย่างการสร้างช่องรูปร่างโค้งโดยใช้เครื่องมือ 125 μm สามารถพบได้ในผลงานของ Monaghan45 เมื่อวางชั้นฟอยล์ในลักษณะระนาบ การซ้อนทับของวัสดุฟอยล์บนช่องจะมีพื้นผิวเรียบ (สี่เหลี่ยมจัตุรัส) ในงานนี้ เพื่อรักษาความสมมาตรของช่อง จึงได้ใช้โครงร่างสี่เหลี่ยมจัตุรัส
ระหว่างช่วงหยุดชั่วคราวที่ตั้งโปรแกรมไว้ล่วงหน้าในการผลิต หัววัดอุณหภูมิเทอร์โมคัปเปิล (ชนิด K) จะถูกฝังไว้โดยตรงภายในอุปกรณ์ระหว่างกลุ่มช่องบนและช่องล่าง (รูปที่ 1 – ขั้นตอนที่ 3) เทอร์โมคัปเปิลเหล่านี้สามารถตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิได้ตั้งแต่ -200 ถึง 1,350 °C
กระบวนการสะสมโลหะจะดำเนินการโดยใช้ฮอร์น UAM โดยใช้แผ่นโลหะหนา 150 ไมครอนและกว้าง 25.4 มม. ชั้นแผ่นโลหะเหล่านี้จะถูกยึดเข้าด้วยกันเป็นแถบที่อยู่ติดกันหลายแถบเพื่อปิดคลุมพื้นที่การสร้างทั้งหมด ขนาดของวัสดุที่สะสมจะมีขนาดใหญ่กว่าผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายเนื่องจากกระบวนการลบออกจะสร้างรูปร่างสุทธิขั้นสุดท้าย การกลึง CNC ใช้ในการกลึงส่วนโค้งภายนอกและภายในของอุปกรณ์ ส่งผลให้พื้นผิวของอุปกรณ์และช่องต่างๆ มีความสมบูรณ์เท่ากับเครื่องมือที่เลือกและพารามิเตอร์กระบวนการ CNC (ประมาณ 1.6 μm Ra ในตัวอย่างนี้) มีการใช้รอบการสะสมวัสดุด้วยคลื่นอัลตราโซนิกอย่างต่อเนื่องและต่อเนื่องตลอดกระบวนการผลิตอุปกรณ์เพื่อให้แน่ใจว่ารักษาความแม่นยำของขนาดได้และชิ้นส่วนที่เสร็จสิ้นจะตรงตามระดับความแม่นยำในการกัดผิวสำเร็จด้วย CNC ความกว้างของช่องที่ใช้สำหรับอุปกรณ์นี้มีขนาดเล็กเพียงพอที่จะทำให้แน่ใจว่าวัสดุแผ่นโลหะจะไม่ "หย่อน" ลงในช่องของไหล ดังนั้นช่องจึงรักษาหน้าตัดเป็นสี่เหลี่ยม ช่องว่างที่เป็นไปได้ในวัสดุแผ่นโลหะและพารามิเตอร์กระบวนการ UAM ได้รับการกำหนดโดยการทดลองโดยพันธมิตรผู้ผลิต (Fabrisonic LLC, USA)
การศึกษาวิจัยแสดงให้เห็นว่าการแพร่กระจายธาตุเพียงเล็กน้อยเกิดขึ้นที่อินเทอร์เฟซพันธะ UAM 46, 47 โดยไม่ต้องผ่านการบำบัดความร้อนเพิ่มเติม ดังนั้นสำหรับอุปกรณ์ในงานวิจัยนี้ ชั้น Cu-110 จะยังคงแตกต่างจากชั้น Al 6061 และเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหัน
ติดตั้งตัวควบคุมแรงดันย้อนกลับ (BPR) 250 psi (1724 kPa) ที่ผ่านการปรับเทียบล่วงหน้าที่ทางออกของเครื่องปฏิกรณ์ และปั๊มน้ำผ่านเครื่องปฏิกรณ์ด้วยอัตรา 0.1 ถึง 1 มล. ต่อนาที ความดันของเครื่องปฏิกรณ์ได้รับการตรวจสอบโดยใช้เซ็นเซอร์แรงดันระบบ FlowSyn ในตัว เพื่อตรวจยืนยันว่าระบบสามารถรักษาแรงดันคงที่ได้ การไล่ระดับอุณหภูมิที่อาจเกิดขึ้นระหว่างเครื่องปฏิกรณ์การไหลได้รับการทดสอบโดยการระบุความแตกต่างระหว่างเทอร์โมคัปเปิลที่ฝังอยู่ในเครื่องปฏิกรณ์และที่ฝังอยู่ในแผ่นทำความร้อนชิป FlowSyn ซึ่งทำได้โดยการเปลี่ยนอุณหภูมิแผ่นทำความร้อนที่ตั้งโปรแกรมได้ระหว่าง 100 ถึง 150 °C โดยเพิ่มครั้งละ 25 °C และสังเกตความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิที่ตั้งโปรแกรมไว้และอุณหภูมิที่บันทึกไว้ ซึ่งทำได้โดยใช้เครื่องบันทึกข้อมูล tc-08 (PicoTech, Cambridge, UK) และซอฟต์แวร์ PicoLog ที่มาพร้อมกัน
ปรับสภาพปฏิกิริยาไซโคลแอดดิชันของฟีนิลอะเซทิลีนและไอโอโดเอเทนให้เหมาะสม (โครงร่าง 1 - ไซโคลแอดดิชันของฟีนิลอะเซทิลีนและไอโอโดเอเทน โครงร่าง 1 - ไซโคลแอดดิชันของฟีนิลอะเซทิลีนและไอโอโดเอเทน) ปรับให้เหมาะสมนี้โดยใช้แนวทางการออกแบบการทดลองแบบแฟกทอเรียลเต็มรูปแบบ (DOE) โดยใช้อุณหภูมิและเวลาคงอยู่เป็นพารามิเตอร์ที่แปรผัน ในขณะที่กำหนดอัตราส่วนอัลไคน์:อะไซด์ที่ 1:2
เตรียมสารละลายโซเดียมอะไซด์แยกกัน (0.25 M, 4:1 DMF:H2O), ไอโอโดอีเทน (0.25 M, DMF) และฟีนิลอะเซทิลีน (0.125 M, DMF) ผสมสารละลายแต่ละส่วนปริมาณ 1.5 มิลลิลิตรแล้วสูบผ่านเครื่องปฏิกรณ์ด้วยอัตราการไหลและอุณหภูมิที่ต้องการ การตอบสนองของแบบจำลองถูกนำมาใช้เป็นอัตราส่วนพื้นที่พีคของผลิตภัณฑ์ไตรอะโซลต่อสารตั้งต้นฟีนิลอะเซทิลีน และกำหนดโดยโครมาโทกราฟีของเหลวสมรรถนะสูง (HPLC) เพื่อความสม่ำเสมอของการวิเคราะห์ ปฏิกิริยาทั้งหมดจะถูกสุ่มตัวอย่างทันทีหลังจากส่วนผสมปฏิกิริยาออกจากเครื่องปฏิกรณ์ ช่วงพารามิเตอร์ที่เลือกสำหรับการปรับให้เหมาะสมจะแสดงอยู่ในตารางที่ 2
ตัวอย่างทั้งหมดได้รับการวิเคราะห์โดยใช้ระบบ Chromaster HPLC (VWR, PA, USA) ซึ่งประกอบด้วยปั๊มควอเทอร์นารี ตู้อบคอลัมน์ เครื่องตรวจจับรังสี UV แบบปรับความยาวคลื่นได้ และเครื่องเก็บตัวอย่างอัตโนมัติ คอลัมน์เป็นสารเทียบเท่า 5 C18 (VWR, PA, USA) ขนาด 4.6 × 100 มม. ขนาดอนุภาค 5 µm คงที่อุณหภูมิ 40 °C ตัวทำละลายเป็นไอโซเครติก 50:50 เมทานอล:น้ำ ที่อัตราการไหล 1.5 มล./นาที ปริมาตรที่ฉีดคือ 5 µL และความยาวคลื่นของเครื่องตรวจจับคือ 254 นาโนเมตร พื้นที่พีค % สำหรับตัวอย่าง DOE คำนวณจากพื้นที่พีคของผลิตภัณฑ์อัลไคน์ที่เหลือและไตรอะโซลเท่านั้น การฉีดสารเริ่มต้นช่วยให้ระบุพีคที่เกี่ยวข้องได้
การเชื่อมโยงเอาต์พุตของการวิเคราะห์เครื่องปฏิกรณ์กับซอฟต์แวร์ MODDE DOE (Umetrics, Malmö, สวีเดน) ช่วยให้วิเคราะห์แนวโน้มผลลัพธ์และกำหนดเงื่อนไขปฏิกิริยาที่เหมาะสมที่สุดสำหรับไซโคลแอดดิชันนี้ได้อย่างละเอียด การเรียกใช้ตัวเพิ่มประสิทธิภาพในตัวและการเลือกคำศัพท์จำลองที่สำคัญทั้งหมดจะทำให้ได้ชุดเงื่อนไขปฏิกิริยาที่ออกแบบมาเพื่อเพิ่มพื้นที่พีคของผลิตภัณฑ์ให้สูงสุดในขณะที่ลดพื้นที่พีคสำหรับวัสดุเริ่มต้นอะเซทิลีน
การเกิดออกซิเดชันของทองแดงบนพื้นผิวภายในห้องปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาทำได้โดยใช้สารละลายไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ (36%) ที่ไหลผ่านห้องปฏิกิริยา (อัตราการไหล = 0.4 มล. ต่อนาที เวลาคงอยู่ = 2.5 นาที) ก่อนการสังเคราะห์คลังสารประกอบไตรอะโซลแต่ละคลัง
เมื่อระบุชุดเงื่อนไขที่เหมาะสมที่สุดแล้ว ก็จะนำไปใช้กับอนุพันธ์ของอะเซทิลีนและฮาโลอัลเคนหลายประเภท เพื่อให้สามารถรวบรวมการสังเคราะห์ไลบรารีขนาดเล็กได้ จึงทำให้สามารถนำเงื่อนไขเหล่านี้ไปใช้กับรีเอเจนต์ที่มีศักยภาพได้หลากหลายยิ่งขึ้น (รูปที่ 1) 2)
เตรียมสารละลายโซเดียมอะไซด์แยกกัน (0.25 M, 4:1 DMF:H2O), ฮาโลอัลเคน (0.25 M, DMF) และอัลไคน์ (0.125 M, DMF) ผสมสารละลายแต่ละส่วน 3 มิลลิลิตรแล้วสูบผ่านเครื่องปฏิกรณ์ที่ 75 µL.min-1 และ 150 °C ปริมาตรรวมทั้งหมดถูกเก็บรวบรวมไว้ในขวดและเจือจางด้วยเอทิลอะซิเตท 10 มิลลิลิตร ล้างสารละลายตัวอย่างด้วยน้ำ 3 × 10 มิลลิลิตร ผสมชั้นน้ำเข้าด้วยกันและสกัดด้วยเอทิลอะซิเตท 10 มิลลิลิตร จากนั้นนำชั้นอินทรีย์มาผสมกัน ล้างด้วยน้ำเกลือ 3 x 10 มล. ทำให้แห้งด้วย MgSO4 และกรอง จากนั้นจึงนำตัวทำละลายออกในสุญญากาศ ตัวอย่างได้รับการชำระด้วยโครมาโทกราฟีคอลัมน์บนซิลิกาเจลโดยใช้เอทิลอะซิเตท ก่อนวิเคราะห์โดยใช้ HPLC, 1H NMR, 13C NMR และแมสสเปกโตรเมตรีความละเอียดสูง (HR-MS) ร่วมกัน
สเปกตรัมทั้งหมดได้มาโดยใช้เครื่องสเปกโตรมิเตอร์มวลที่มีความละเอียด Thermofischer Precision Orbitrap โดยมี ESI เป็นแหล่งไอออนไนเซชัน ตัวอย่างทั้งหมดเตรียมโดยใช้อะซีโตไนไตรล์เป็นตัวทำละลาย
การวิเคราะห์ TLC ดำเนินการบนแผ่นซิลิกาที่รองรับด้วยอะลูมิเนียม แผ่นจะถูกมองเห็นได้โดยแสง UV (254 นาโนเมตร) หรือการย้อมวานิลลินและการให้ความร้อน
ตัวอย่างทั้งหมดได้รับการวิเคราะห์โดยใช้ระบบ VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, สหราชอาณาจักร) ที่ติดตั้งเครื่องเก็บตัวอย่างอัตโนมัติ ปั๊มไบนารีคอลัมน์ และเครื่องตรวจจับความยาวคลื่นเดียว คอลัมน์ที่ใช้คือ ACE Equivalence 5 C18 (150 × 4.6 มม., Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Scotland)
การฉีด (5 µL) ทำได้โดยตรงจากส่วนผสมปฏิกิริยาดิบเจือจาง (การเจือจาง 1:10) และวิเคราะห์ด้วยน้ำ:เมทานอล (50:50 หรือ 70:30) ยกเว้นบางตัวอย่างที่ใช้ระบบตัวทำละลาย 70:30 (แสดงเป็นเลขดอกจัน) ที่อัตราการไหล 1.5 มล./นาที คอลัมน์ถูกเก็บไว้ที่ 40 °C ความยาวคลื่นของตัวตรวจจับคือ 254 นาโนเมตร
พื้นที่พีค % ของตัวอย่างคำนวณจากพื้นที่พีคของอัลไคน์ที่เหลือ ผลิตภัณฑ์ไตรอะโซลเท่านั้น และการฉีดสารเริ่มต้นช่วยให้ระบุพีคที่เกี่ยวข้องได้
ตัวอย่างทั้งหมดได้รับการวิเคราะห์โดยใช้เครื่อง Thermo iCAP 6000 ICP-OES มาตรฐานการสอบเทียบทั้งหมดเตรียมโดยใช้สารละลายมาตรฐาน Cu 1,000 ppm ในกรดไนตริก 2% (SPEX Certi Prep) มาตรฐานทั้งหมดเตรียมในสารละลาย DMF 5% และ HNO3 2% และตัวอย่างทั้งหมดเจือจาง 20 เท่าในสารละลาย DMF-HNO3 ตัวอย่าง
UAM ใช้การเชื่อมโลหะด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงเป็นเทคนิคการยึดติดวัสดุแผ่นโลหะที่ใช้สร้างชุดประกอบขั้นสุดท้าย การเชื่อมโลหะด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงใช้เครื่องมือโลหะที่สั่นสะเทือน (เรียกว่าฮอร์นหรือฮอร์นอัลตราโซนิก) เพื่อใช้แรงกดบนชั้นแผ่นโลหะ/ชั้นที่รวมตัวกันก่อนหน้านี้ที่ต้องการยึดติดในขณะที่สั่นสะเทือนวัสดุ สำหรับการทำงานต่อเนื่อง โซโนโทรดจะเป็นทรงกระบอกและกลิ้งไปบนพื้นผิวของวัสดุ เพื่อยึดติดพื้นที่ทั้งหมด เมื่อใช้แรงกดและการสั่นสะเทือน ออกไซด์บนพื้นผิวของวัสดุอาจแตกร้าวได้ แรงกดและการสั่นสะเทือนอย่างต่อเนื่องอาจทำให้วัสดุมีความแข็งกระด้างพังทลาย 36 การสัมผัสอย่างใกล้ชิดกับความร้อนและแรงกดที่เหนี่ยวนำในพื้นที่จะทำให้เกิดการยึดติดแบบโซลิดสเตตที่ส่วนต่อประสานวัสดุ นอกจากนี้ยังช่วยในการยึดเกาะโดยการเปลี่ยนแปลงพลังงานพื้นผิว48 ลักษณะธรรมชาติของกลไกการยึดติดช่วยเอาชนะปัญหาต่างๆ มากมายที่เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิการหลอมที่แปรผันและผลกระทบจากอุณหภูมิสูงที่กล่าวถึงในเทคนิคการผลิตแบบเติมแต่งอื่นๆ ซึ่งช่วยให้สามารถยึดติดวัสดุต่างชนิดหลายชั้นเข้าด้วยกันโดยตรง (กล่าวคือ โดยไม่ต้องปรับเปลี่ยนพื้นผิว ใช้สารตัวเติมหรือสารยึดติด) เป็นโครงสร้างที่รวมเป็นหนึ่งเดียวได้
ปัจจัยที่เอื้ออำนวยประการที่สองสำหรับ UAM คือระดับการไหลของพลาสติกที่สูงที่สังเกตได้ในวัสดุโลหะ แม้ในอุณหภูมิต่ำ ซึ่งต่ำกว่าจุดหลอมเหลวของวัสดุโลหะอย่างมาก การรวมกันของการสั่นด้วยคลื่นเหนือเสียงและแรงดันทำให้เกิดการเคลื่อนตัวของขอบเกรนในท้องถิ่นในระดับสูงและการตกผลึกใหม่โดยที่อุณหภูมิไม่เพิ่มขึ้นอย่างมากซึ่งโดยทั่วไปมักเกิดขึ้นกับวัสดุจำนวนมาก ในระหว่างการสร้างชุดประกอบขั้นสุดท้าย ปรากฏการณ์นี้สามารถใช้ประโยชน์เพื่อฝังส่วนประกอบที่ทำงานอยู่และแบบพาสซีฟไว้ระหว่างชั้นของแผ่นโลหะเป็นชั้นๆ องค์ประกอบต่างๆ เช่น เส้นใยแก้วนำแสง 49 วัสดุเสริมแรง 46 อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ 50 และเทอร์โมคัปเปิล (งานนี้) ทั้งหมดถูกฝังลงในโครงสร้าง UAM ได้สำเร็จเพื่อสร้างชุดประกอบแบบแอ็คทีฟและแบบพาสซีฟ
ในงานนี้ ได้ใช้ทั้งพันธะวัสดุที่แตกต่างกันและความเป็นไปได้ในการแทรกของ UAM เพื่อสร้างไมโครรีแอคเตอร์สำหรับตรวจสอบอุณหภูมิตัวเร่งปฏิกิริยาขั้นสูงสุด
เมื่อเปรียบเทียบกับแพลเลเดียม (Pd) และตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะอื่นๆ ที่ใช้กันทั่วไป การเร่งปฏิกิริยาด้วย Cu มีข้อดีหลายประการ ดังนี้ (i) ในเชิงเศรษฐกิจ Cu มีราคาถูกกว่าโลหะอื่นๆ หลายชนิดที่ใช้ในการเร่งปฏิกิริยา ดังนั้นจึงเป็นตัวเลือกที่น่าสนใจสำหรับอุตสาหกรรมการแปรรูปทางเคมี (ii) ปฏิกิริยาการจับคู่ไขว้ที่เร่งปฏิกิริยาด้วย Cu กำลังเพิ่มขึ้น และดูเหมือนว่าจะเสริมวิธีการที่ใช้ Pd ในระดับหนึ่ง51,52,53 (iii) ปฏิกิริยาที่เร่งปฏิกิริยาด้วย Cu ทำงานได้ดีแม้ไม่มีลิแกนด์อื่นๆ ลิแกนด์เหล่านี้มักจะมีโครงสร้างเรียบง่ายและมีราคาไม่แพงหากต้องการ ในขณะที่ลิแกนด์ที่ใช้ในเคมี Pd มักจะมีความซับซ้อน ราคาแพง และไวต่ออากาศ (iv) Cu โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ทราบกันดีถึงความสามารถในการจับกับอัลไคน์ในการสังเคราะห์ ตัวอย่างเช่น การจับคู่ Sonogashira ที่เร่งปฏิกิริยาด้วยโลหะสองชนิดและการรวมตัวแบบไซโคลกับอะไซด์ (เคมีคลิก) (v) Cu ยังสามารถส่งเสริมการอะริเลชันของนิวคลีโอไฟล์หลายชนิดในปฏิกิริยาแบบอุลมันน์ได้อีกด้วย
ตัวอย่างของการเกิดเฮเทอโรจิไนเซชันของปฏิกิริยาทั้งหมดเหล่านี้ได้รับการพิสูจน์แล้วเมื่อเร็วๆ นี้ในสภาพที่มี Cu(0) ส่วนใหญ่นั้นเกิดจากอุตสาหกรรมยาและการมุ่งเน้นที่เพิ่มมากขึ้นในการกู้คืนและการนำตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะกลับมาใช้ใหม่55,56
ปฏิกิริยาไซโคลแอดดิชันไดโพลาร์ 1,3 ระหว่างอะเซทิลีนและอะไซด์เป็น 1,2,3-ไตรอะโซล ซึ่งริเริ่มโดย Huisgen ในช่วงทศวรรษ 196057 ถือเป็นปฏิกิริยาสาธิตการทำงานร่วมกัน โมเลกุล 1,2,3 ไตรอะโซลที่ได้นั้นมีความน่าสนใจเป็นพิเศษในฐานะเภสัชภัณฑ์ในสาขาการค้นพบยา เนื่องจากการนำไปใช้ในทางชีววิทยาและการใช้ในตัวแทนการรักษาต่างๆ 58
ปฏิกิริยานี้ได้รับความสนใจอีกครั้งเมื่อ Sharpless และคนอื่นๆ แนะนำแนวคิดเรื่อง “เคมีคลิก”59 คำว่า “เคมีคลิก” ใช้เพื่ออธิบายชุดปฏิกิริยาที่มั่นคง เชื่อถือได้ และมีการคัดเลือกสำหรับการสังเคราะห์สารประกอบใหม่และไลบรารีแบบผสมผสานอย่างรวดเร็วผ่านการเชื่อมโยงเฮเทอโรอะตอม (CXC)60 ความดึงดูดใจในการสังเคราะห์ของปฏิกิริยาเหล่านี้มาจากผลผลิตที่สูงที่เกี่ยวข้อง สภาวะปฏิกิริยาเรียบง่าย ทนทานต่อออกซิเจนและน้ำ และการแยกผลิตภัณฑ์ทำได้ง่าย61
ไซโคลแอดดิชันไดโพล 1,3 แบบคลาสสิกของ Huisgen ไม่จัดอยู่ในประเภทของ "เคมีคลิก" อย่างไรก็ตาม Medal และ Sharpless ได้แสดงให้เห็นว่าเหตุการณ์การจับคู่อะไซด์-อัลไคน์นี้เกิดขึ้นในอัตรา 107 ถึง 108 เมื่อมี Cu(I) เมื่อเปรียบเทียบกับไซโคลแอดดิชันไดโพลาร์ 1,3 ที่ไม่ได้รับการเร่งปฏิกิริยา 62,63 ที่มีอัตราเร่งที่สำคัญ กลไกปฏิกิริยาที่ปรับปรุงนี้ไม่จำเป็นต้องปกป้องหมู่หรือสภาวะปฏิกิริยาที่รุนแรง และให้ผลลัพธ์การแปลงและการคัดเลือกที่เกือบสมบูรณ์เป็น 1,2,3-ไตรอะโซลที่แทนที่ 1,4 (แอนติ- 1,2,3-ไตรอะโซล) ในช่วงเวลาหนึ่ง (รูปที่ 3)
ผลลัพธ์แบบไอโซเมตริกของ Huisgen cycloadditions แบบธรรมดาและที่เร่งปฏิกิริยาด้วยทองแดง Huisgen cycloadditions ที่เร่งปฏิกิริยาด้วย Cu(I) ให้ผลเป็น 1,2,3-triazole ที่แทนที่ 1,4 เท่านั้น ในขณะที่ Huisgen cycloadditions ที่เหนี่ยวนำโดยความร้อนโดยทั่วไปให้ 1,4 และ 1,5-triazole ในส่วนผสม 1:1 ของสเตอริโอไอโซเมอร์ของอะโซล
โปรโตคอลส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับการลดแหล่ง Cu(II) ที่เสถียร เช่น การลด CuSO4 หรือการรวมกันแบบร่วมของสายพันธุ์ Cu(II)/Cu(0) กับเกลือโซเดียม เมื่อเปรียบเทียบกับปฏิกิริยาที่เร่งปฏิกิริยาด้วยโลหะอื่นๆ การใช้ Cu(I) มีข้อได้เปรียบหลักคือมีราคาไม่แพงและจัดการได้ง่าย
การศึกษาการติดฉลากจลนศาสตร์และไอโซโทปโดย Worrell et al. 65 แสดงให้เห็นว่า ในกรณีของอัลไคน์ปลายสุด จะมีทองแดงเทียบเท่าสองตัวเข้าไปเกี่ยวข้องกับการกระตุ้นปฏิกิริยาของแต่ละโมเลกุลต่ออะไซด์ กลไกที่เสนอนี้ดำเนินไปผ่านวงแหวนโลหะทองแดงรูปหกเหลี่ยมที่ก่อตัวขึ้นจากการประสานงานของอะไซด์กับคอปเปอร์อะเซทิไลด์ที่มีพันธะ σ โดยมีทองแดงที่มีพันธะ π เป็นลิแกนด์ตัวบริจาคที่เสถียร อนุพันธ์ของทองแดงไตรอะโซลิลก่อตัวขึ้นจากการหดตัวของวงแหวน ตามด้วยการสลายตัวของโปรตอนเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ไตรอะโซลและปิดวงจรเร่งปฏิกิริยา
ในขณะที่ประโยชน์ของอุปกรณ์เคมีการไหลนั้นมีการบันทึกไว้เป็นอย่างดี แต่ก็มีความปรารถนาที่จะบูรณาการเครื่องมือวิเคราะห์ไว้ในระบบเหล่านี้สำหรับการตรวจสอบกระบวนการแบบอินไลน์ในสถานที่66,67 UAM ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็นวิธีการที่เหมาะสมสำหรับการออกแบบและผลิตเครื่องปฏิกรณ์การไหล 3 มิติที่ซับซ้อนสูงซึ่งทำจากวัสดุที่มีคุณสมบัติเป็นตัวนำความร้อนที่มีฤทธิ์เร่งปฏิกิริยาซึ่งมีองค์ประกอบการตรวจจับที่ฝังอยู่โดยตรง (รูปที่ 4)
เครื่องปฏิกรณ์ไหลอลูมิเนียม-ทองแดงที่ผลิตโดยการผลิตแบบเติมแต่งด้วยคลื่นเสียงความถี่สูง (UAM) โดยมีโครงสร้างช่องภายในที่ซับซ้อน เทอร์โมคัปเปิลฝัง และห้องปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยา เพื่อแสดงภาพเส้นทางของไหลภายใน ยังแสดงต้นแบบโปร่งใสที่ผลิตโดยใช้สเตอริโอลีโทกราฟีอีกด้วย
เพื่อให้แน่ใจว่าเครื่องปฏิกรณ์ถูกผลิตขึ้นสำหรับปฏิกิริยาอินทรีย์ในอนาคต ตัวทำละลายจำเป็นต้องได้รับความร้อนอย่างปลอดภัยเหนือจุดเดือด ตัวทำละลายจะต้องผ่านการทดสอบความดันและอุณหภูมิ การทดสอบความดันแสดงให้เห็นว่าระบบรักษาความดันที่เสถียรและสม่ำเสมอแม้ว่าความดันระบบจะเพิ่มขึ้น (1.7 MPa) การทดสอบไฮโดรสแตติกดำเนินการที่อุณหภูมิห้องโดยใช้ H2O เป็นของเหลว
การเชื่อมต่อเทอร์โมคัปเปิลแบบฝัง (รูปที่ 1) เข้ากับเครื่องบันทึกข้อมูลอุณหภูมิแสดงให้เห็นว่าเทอร์โมคัปเปิลเย็นกว่าอุณหภูมิที่ตั้งโปรแกรมไว้ในระบบ FlowSyn ถึง 6 °C (± 1 °C) โดยทั่วไปแล้ว การเพิ่มอุณหภูมิขึ้น 10 °C จะส่งผลให้มีอัตราการเกิดปฏิกิริยาเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า ดังนั้นความแตกต่างของอุณหภูมิเพียงไม่กี่องศาก็อาจทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาเปลี่ยนแปลงไปอย่างมาก ความแตกต่างนี้เกิดจากการสูญเสียอุณหภูมิทั่วทั้งตัวเครื่องปฏิกรณ์อันเนื่องมาจากการแพร่กระจายความร้อนสูงของวัสดุที่ใช้ในกระบวนการผลิต การเคลื่อนที่ของความร้อนนี้มีความสม่ำเสมอและสามารถนำมาพิจารณาในการตั้งค่าอุปกรณ์เพื่อให้แน่ใจว่าจะถึงและวัดอุณหภูมิที่แม่นยำระหว่างปฏิกิริยา ดังนั้น เครื่องมือตรวจสอบออนไลน์นี้จะช่วยให้ควบคุมอุณหภูมิปฏิกิริยาได้อย่างเข้มงวดและช่วยให้ปรับปรุงกระบวนการและพัฒนาเงื่อนไขที่เหมาะสมได้แม่นยำยิ่งขึ้น เซ็นเซอร์เหล่านี้ยังสามารถใช้เพื่อระบุปฏิกิริยาคายความร้อนและป้องกันปฏิกิริยาที่ควบคุมไม่ได้ในระบบขนาดใหญ่ได้อีกด้วย
เครื่องปฏิกรณ์ที่นำเสนอในงานนี้เป็นตัวอย่างแรกของการประยุกต์ใช้เทคโนโลยี UAM ในการผลิตเครื่องปฏิกรณ์เคมีและแก้ไขข้อจำกัดสำคัญหลายประการที่สัมพันธ์กับการพิมพ์ AM/3D ของอุปกรณ์เหล่านี้ในปัจจุบัน เช่น: (i) เอาชนะปัญหาที่รายงานที่เกี่ยวข้องกับการประมวลผลโลหะผสมทองแดงหรืออลูมิเนียม (ii) ความละเอียดของช่องภายในที่ปรับปรุงดีขึ้นเมื่อเปรียบเทียบกับเทคนิคการหลอมรวมผงด้วยชั้น (PBF) เช่น การหลอมด้วยเลเซอร์แบบเลือกจุด (SLM)25,69 การไหลของวัสดุที่ไม่ดีและพื้นผิวที่มีพื้นผิวขรุขระ26 (iii) อุณหภูมิในการประมวลผลที่ลดลง ซึ่งช่วยให้สามารถยึดเซ็นเซอร์ได้โดยตรง ซึ่งไม่สามารถทำได้ในเทคโนโลยีผงด้วยชั้น (v) เอาชนะคุณสมบัติเชิงกลที่ไม่ดีและความไวของส่วนประกอบที่ใช้โพลีเมอร์ต่อตัวทำละลายอินทรีย์ทั่วไปที่หลากหลาย17,19
การทำงานของเครื่องปฏิกรณ์ได้รับการสาธิตโดยปฏิกิริยาไซโคลแอดดิชันอัลไคน์อะไซด์ที่เร่งปฏิกิริยาด้วยทองแดงชุดหนึ่งภายใต้สภาวะการไหลต่อเนื่อง (รูปที่ 2) เครื่องปฏิกรณ์ทองแดงที่พิมพ์ด้วยอัลตราโซนิกซึ่งมีรายละเอียดในรูปที่ 4 ถูกผสานเข้ากับระบบการไหลเชิงพาณิชย์และใช้ในการสังเคราะห์อะไซด์ในคลังของ 1,2,3-ไตรอะโซลที่แทนที่ด้วย 1,4 ต่างๆ ผ่านปฏิกิริยาควบคุมอุณหภูมิของอะเซทิลีนและกลุ่มอัลคิลฮาไลด์ในสภาพที่มีโซเดียมคลอไรด์ (รูปที่ 3) การใช้แนวทางการไหลต่อเนื่องช่วยลดข้อกังวลด้านความปลอดภัยที่อาจเกิดขึ้นในกระบวนการแบบแบตช์ เนื่องจากปฏิกิริยานี้ผลิตสารตัวกลางอะไซด์ที่มีปฏิกิริยาสูงและเป็นอันตราย [317], [318] ในขั้นต้น ปฏิกิริยาได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับไซโคลแอดดิชันของฟีนิลอะเซทิลีนและไอโอโดอีเทน (โครงร่าง 1 – ไซโคลแอดดิชันของฟีนิลอะเซทิลีนและไอโอโดอีเทน) (ดูรูปที่ 5)
(ซ้ายบน) แผนผังการตั้งค่าที่ใช้เพื่อรวมเครื่องปฏิกรณ์ 3DP เข้ากับระบบการไหล (ขวาบน) ที่ได้ในโครงร่างที่ได้รับการปรับให้เหมาะสม (ล่าง) ของโครงร่าง Huisgen cycloaddition 57 ระหว่างฟีนิลอะเซทิลีนและไอโอโดอีเทนเพื่อการปรับให้เหมาะสมและแสดงอัตราการแปลงปฏิกิริยาของพารามิเตอร์ที่ปรับให้เหมาะสม
การควบคุมเวลาคงอยู่ของสารเคมีในส่วนเร่งปฏิกิริยาของเครื่องปฏิกรณ์ และการติดตามอุณหภูมิปฏิกิริยาอย่างใกล้ชิดด้วยหัววัดเทอร์โมคัปเปิลที่รวมโดยตรง ทำให้สามารถปรับสภาวะปฏิกิริยาได้อย่างรวดเร็วและแม่นยำ โดยใช้เวลาและวัสดุที่ใช้ให้น้อยที่สุด มีการระบุอย่างรวดเร็วว่าได้การแปลงค่าสูงสุดเมื่อใช้เวลาคงอยู่ 15 นาที และอุณหภูมิปฏิกิริยา 150 °C จากกราฟสัมประสิทธิ์ของซอฟต์แวร์ MODDE จะเห็นได้ว่าทั้งเวลาคงอยู่และอุณหภูมิปฏิกิริยาถือเป็นเงื่อนไขจำลองที่สำคัญ การเรียกใช้ตัวเพิ่มประสิทธิภาพในตัวโดยใช้เงื่อนไขที่เลือกเหล่านี้ จะสร้างชุดเงื่อนไขปฏิกิริยาที่ออกแบบมาเพื่อเพิ่มพื้นที่พีคของผลิตภัณฑ์ให้สูงสุดในขณะที่ลดพื้นที่พีคของวัสดุเริ่มต้น การเพิ่มประสิทธิภาพนี้ส่งผลให้แปลงผลิตภัณฑ์ไตรอะโซลได้ 53% ซึ่งใกล้เคียงกับที่ทำนายไว้โดยโมเดลที่ 54%
จากเอกสารที่แสดงให้เห็นว่าคอปเปอร์(I) ออกไซด์ (Cu2O) สามารถทำหน้าที่เป็นสปีชีส์ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพบนพื้นผิวทองแดงที่มีค่าวาเลนซ์เป็นศูนย์ในปฏิกิริยาเหล่านี้ ความสามารถในการออกซิไดซ์ล่วงหน้าบนพื้นผิวของเครื่องปฏิกรณ์ก่อนที่จะดำเนินการปฏิกิริยาในกระแสจึงได้รับการตรวจสอบ70,71 จากนั้นจึงทำปฏิกิริยาระหว่างฟีนิลอะเซทิลีนและไอโอโดเอเทนอีกครั้งภายใต้เงื่อนไขที่เหมาะสมที่สุด และเปรียบเทียบผลผลิต พบว่าการเตรียมนี้ส่งผลให้การแปลงของวัสดุเริ่มต้นเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งคำนวณได้ว่ามากกว่า 99% อย่างไรก็ตาม การติดตามด้วย HPLC แสดงให้เห็นว่าการแปลงนี้ลดเวลาปฏิกิริยาที่ยาวนานเกินไปอย่างมีนัยสำคัญจนถึงประมาณ 90 นาที จากนั้นกิจกรรมดูเหมือนจะปรับระดับและไปถึง "สถานะคงที่" การสังเกตนี้ชี้ให้เห็นว่าแหล่งที่มาของกิจกรรมตัวเร่งปฏิกิริยาได้มาจากคอปเปอร์ออกไซด์บนพื้นผิวแทนที่จะเป็นพื้นผิวทองแดงที่มีค่าวาเลนซ์เป็นศูนย์ โลหะ Cu ถูกออกซิไดซ์ได้ง่ายที่อุณหภูมิห้องเพื่อสร้าง CuO และ Cu2O ซึ่งไม่ใช่ชั้นป้องกันตัวเอง ซึ่งทำให้ไม่จำเป็นต้องเพิ่มแหล่งที่มาของคอปเปอร์(II) เสริม การร่วมองค์ประกอบ71.