از بازدید شما از Nature.com سپاسگزاریم.نسخه مرورگری که استفاده می کنید پشتیبانی محدودی از CSS دارد.برای بهترین تجربه، توصیه می کنیم از یک مرورگر به روز شده استفاده کنید (یا حالت سازگاری را در اینترنت اکسپلورر غیرفعال کنید).در عین حال، برای اطمینان از پشتیبانی مداوم، سایت را بدون استایل و جاوا اسکریپت ارائه می کنیم.
چرخ فلکی که سه اسلاید را همزمان نشان می دهد.از دکمه های قبلی و بعدی برای حرکت در سه اسلاید در یک زمان استفاده کنید یا از دکمه های لغزنده در پایان برای حرکت در سه اسلاید در یک زمان استفاده کنید.
تولید افزودنی در حال تغییر روشی است که محققان و صنعت گران برای رفع نیازهای خاص خود دستگاه های شیمیایی را طراحی و تولید می کنند.در این مقاله، اولین نمونه از یک راکتور جریان تشکیل شده توسط ورقه ورقه سازی التراسونیک افزودنی (UAM) یک ورق فلزی جامد با قطعات کاتالیزوری و عناصر حسگر به طور مستقیم یکپارچه شده را گزارش می کنیم.فناوری UAM نه تنها بر بسیاری از محدودیت‌های موجود در تولید افزودنی راکتورهای شیمیایی غلبه می‌کند، بلکه قابلیت‌های این دستگاه‌ها را نیز به میزان زیادی گسترش می‌دهد.تعدادی از ترکیبات 1،4، 1،2،3-تریازول 1،4-دیگر جانشین شده از نظر بیولوژیکی با موفقیت سنتز شده و توسط یک واکنش سیکلودافزودن 1،3 دوقطبی Huisgen با واسطه مس با استفاده از تسهیلات شیمی UAM، سنتز و بهینه‌سازی شده‌اند.با استفاده از ویژگی‌های منحصر به فرد UAM و پردازش جریان پیوسته، دستگاه قادر است واکنش‌های جاری را کاتالیز کند و همچنین بازخورد بلادرنگ را برای نظارت و بهینه‌سازی واکنش‌ها ارائه دهد.
شیمی جریان به دلیل مزایای قابل توجهی که نسبت به همتای حجیم خود دارد، به دلیل توانایی آن در افزایش گزینش پذیری و کارایی سنتز شیمیایی، یک رشته مهم و رو به رشد در هر دو محیط دانشگاهی و صنعتی است.این از تشکیل مولکول های آلی ساده 1 تا ترکیبات دارویی 2،3 و محصولات طبیعی 4،5،6 گسترش می یابد.بیش از 50 درصد از واکنش ها در صنایع شیمیایی و دارویی خوب می توانند از جریان مداوم بهره مند شوند.
در سال های اخیر، روند رو به رشدی از گروه هایی وجود داشته است که به دنبال جایگزینی ظروف شیشه ای سنتی یا تجهیزات شیمی جریان با "رآکتورهای" شیمیایی سازگار هستند.طراحی تکرار شونده، ساخت سریع و قابلیت‌های سه بعدی (3 بعدی) این روش‌ها برای کسانی که می‌خواهند دستگاه‌های خود را برای مجموعه‌ای از واکنش‌ها، دستگاه‌ها یا شرایط خاص سفارشی کنند، مفید است.تا به امروز، این کار تقریباً به طور انحصاری بر استفاده از تکنیک‌های چاپ سه بعدی مبتنی بر پلیمر مانند استریولیتوگرافی (SL)9،10،11، مدل‌سازی رسوب ذوب شده (FDM)8،12،13،14 و چاپ جوهرافشان 7،15 متمرکز بوده است.، 16. فقدان قابلیت اطمینان و توانایی چنین دستگاه هایی برای انجام طیف وسیعی از واکنش ها/تحلیل های شیمیایی17، 18، 19، 20 یک عامل محدود کننده اصلی برای کاربرد گسترده تر AM در این زمینه است17، 18، 19، 20.
با توجه به استفاده روزافزون از شیمی جریان و خواص مطلوب مرتبط با AM، باید تکنیک های بهتری بررسی شود که به کاربران امکان می دهد مخازن واکنش جریان را با شیمی و قابلیت های تحلیلی بهبود یافته بسازند.این روش‌ها باید به کاربران اجازه دهند تا از میان طیف وسیعی از مواد با استحکام یا عملکرد بالا که می‌توانند تحت طیف وسیعی از شرایط واکنش عمل کنند، انتخاب کنند، و همچنین اشکال مختلف خروجی تحلیلی را از دستگاه برای فعال کردن نظارت و کنترل واکنش تسهیل کنند.
یکی از فرآیندهای تولید افزودنی که می تواند برای توسعه راکتورهای شیمیایی سفارشی استفاده شود، تولید افزودنی اولتراسونیک (UAM) است.این روش لایه‌کاری ورق حالت جامد، ارتعاشات اولتراسونیک را بر روی ورق‌های فلزی نازک اعمال می‌کند تا لایه به لایه آن‌ها را با حداقل گرمایش حجمی و درجه جریان پلاستیکی بالا به یکدیگر متصل کند. شکل خالص لایه مواد چسبانده شده 24، 25. این بدان معنی است که کاربر به مشکلات مربوط به حذف باقیمانده مصالح ساختمانی اصلی از کانال های مایع کوچک محدود نمی شود، که اغلب در سیستم های پودر و مایع AM26،27،28 وجود دارد.این آزادی طراحی به انتخاب مواد در دسترس نیز گسترش می‌یابد - UAM می‌تواند ترکیب‌هایی از مواد مشابه و غیرمشابه حرارتی را در یک مرحله واحد به هم بچسباند.انتخاب ترکیبات مواد فراتر از فرآیند ذوب به این معنی است که نیازهای مکانیکی و شیمیایی کاربردهای خاص را می توان بهتر برآورده کرد.علاوه بر پیوند جامد، پدیده دیگری که با پیوند اولتراسونیک رخ می دهد، سیالیت بالای مواد پلاستیکی در دماهای نسبتاً پایین است 29،30،31،32،33.این ویژگی منحصر به فرد UAM اجازه می دهد تا عناصر مکانیکی/حرارتی بین لایه های فلزی بدون آسیب قرار گیرند.حسگرهای UAM تعبیه‌شده می‌توانند از طریق تجزیه و تحلیل یکپارچه، تحویل اطلاعات بلادرنگ از دستگاه به کاربر را تسهیل کنند.
کار قبلی نویسندگان 32 توانایی فرآیند UAM را برای ایجاد ساختارهای ریزسیال سه بعدی فلزی با قابلیت های حسگر تعبیه شده نشان داد.این دستگاه فقط برای اهداف نظارتی است.این مقاله اولین نمونه از یک راکتور شیمیایی میکروسیالی تولید شده توسط UAM را ارائه می‌کند، یک دستگاه فعال که نه تنها سنتز شیمیایی را با مواد کاتالیستی یکپارچه ساختاری کنترل می‌کند، بلکه القا می‌کند.این دستگاه چندین مزیت مرتبط با فناوری UAM را در ساخت دستگاه های شیمیایی سه بعدی ترکیب می کند، مانند: توانایی تبدیل یک طرح سه بعدی کامل به طور مستقیم از یک مدل طراحی به کمک کامپیوتر (CAD) به یک محصول.ساخت چند ماده ای برای ترکیبی از رسانایی حرارتی بالا و مواد کاتالیزوری و همچنین حسگرهای حرارتی که مستقیماً بین جریان های واکنش دهنده برای کنترل و مدیریت دقیق دمای واکنش تعبیه شده است.برای نشان دادن عملکرد راکتور، کتابخانه‌ای از ترکیبات 1،2،3-تریازول 1،4-دی‌جایگزین‌شده از نظر دارویی مهم توسط سیکلودافزودن 1،3 دوقطبی Huisgen کاتالیز شده با مس سنتز شد.این کار نشان می‌دهد که چگونه استفاده از علم مواد و طراحی به کمک رایانه می‌تواند فرصت‌ها و فرصت‌های جدیدی را برای شیمی از طریق تحقیقات بین‌رشته‌ای باز کند.
تمام حلال‌ها و معرف‌ها از Sigma-Aldrich، Alfa Aesar، TCI، یا Fischer Scientific خریداری شده و بدون تصفیه قبلی مورد استفاده قرار گرفتند.طیف‌های 1H و 13C NMR ثبت‌شده به ترتیب در فرکانس‌های 400 و 100 مگاهرتز، روی یک طیف‌سنج JEOL ECS-400 400 مگاهرتز یا یک طیف‌سنج Bruker Avance II 400 MHz با CDCl3 یا (CD3)2SO به عنوان حلال به‌دست آمد.تمام واکنش ها با استفاده از پلت فرم شیمی جریان Uniqsis FlowSyn انجام شد.
UAM برای ساخت تمام دستگاه ها در این مطالعه استفاده شد.این فناوری در سال 1999 اختراع شد و جزئیات فنی، پارامترهای عملیاتی و پیشرفت‌های آن از زمان اختراع آن می‌تواند با استفاده از مواد منتشر شده زیر34،35،36،37 مورد مطالعه قرار گیرد.دستگاه (شکل 1) با استفاده از یک سیستم سنگین 9 کیلوواتی SonicLayer 4000® UAM (Fabrisonic، اوهایو، ایالات متحده آمریکا) اجرا شد.مواد انتخاب شده برای دستگاه جریان Cu-110 و Al 6061 بودند. Cu-110 دارای محتوای مس بالایی است (حداقل 99.9٪ مس) که آن را کاندید خوبی برای واکنش های کاتالیزور مس می کند و بنابراین به عنوان یک "لایه فعال در داخل ریزراکتور" استفاده می شود.Al 6061 O به عنوان ماده "فله" استفاده می شود.و همچنین لایه میانی که برای تجزیه و تحلیل استفاده می شود.ترکیب اجزای آلیاژی کمکی و حالت آنیل شده در ترکیب با لایه Cu-110.با واکنشگرهای مورد استفاده در این کار از نظر شیمیایی پایدار است.Al 6061 O در ترکیب با Cu-110 نیز به عنوان یک ترکیب مواد سازگار برای UAM در نظر گرفته می شود و بنابراین یک ماده مناسب برای این مطالعه 38،42 است.این دستگاه ها در جدول 1 زیر فهرست شده اند.
مراحل ساخت راکتور (1) بستر آلیاژ آلومینیوم 6061 (2) ساخت کانال پایینی از فویل مس (3) قرار دادن ترموکوپل بین لایه ها (4) کانال بالایی (5) ورودی و خروجی (6) راکتور یکپارچه.
فلسفه طراحی کانال سیال استفاده از یک مسیر پر پیچ و خم برای افزایش مسافت طی شده توسط سیال در داخل تراشه و در عین حال حفظ اندازه تراشه قابل کنترل است.این افزایش فاصله برای افزایش زمان تماس واکنش دهنده کاتالیزور و ارائه بازده محصول عالی مطلوب است.تراشه ها از خمیدگی های 90 درجه در انتهای یک مسیر مستقیم استفاده می کنند تا اختلاط آشفته در دستگاه را القا کنند و زمان تماس مایع با سطح (کاتالیست) را افزایش دهند.برای تقویت بیشتر اختلاط قابل دستیابی، طراحی راکتور شامل دو ورودی واکنش دهنده است که در یک اتصال Y قبل از ورود به بخش سیم پیچ اختلاط ترکیب شده اند.ورودی سوم که در نیمه راه از محل سکونت خود عبور می کند، در طرح واکنش های سنتز چند مرحله ای آینده گنجانده شده است.
همه کانال ها دارای پروفیل مربعی (بدون زوایای مخروطی) هستند که نتیجه آسیاب دوره ای CNC است که برای ایجاد هندسه کانال استفاده می شود.ابعاد کانال به گونه ای انتخاب می شوند که بازده حجمی بالا (برای ریزراکتور) را ارائه دهند، اما به اندازه کافی کوچک برای تسهیل تعامل با سطح (کاتالیزورها) برای اکثر مایعات موجود در آن.اندازه مناسب بر اساس تجربه قبلی نویسندگان با دستگاه های واکنش فلز-مایع است.ابعاد داخلی کانال نهایی 750 میکرومتر در 750 میکرومتر و حجم کل راکتور 1 میلی لیتر بود.یک رابط داخلی (رزوه 1/4 اینچ-28 UNF) در طراحی گنجانده شده است تا امکان اتصال آسان دستگاه با تجهیزات شیمی جریان تجاری را فراهم کند.اندازه کانال توسط ضخامت مواد فویل، خواص مکانیکی آن، و پارامترهای اتصال مورد استفاده در اولتراسونیک محدود می شود.در عرض معینی برای مواد داده شده، مواد در کانال ایجاد شده "افت می کنند".در حال حاضر مدل خاصی برای این محاسبه وجود ندارد، بنابراین حداکثر عرض کانال برای یک ماده و طرح معین به صورت آزمایشی تعیین می شود، در این صورت عرض 750 میکرومتر باعث افتادگی نمی شود.
شکل (مربع) کانال با استفاده از برش مربع تعیین می شود.شکل و اندازه کانال ها را می توان در ماشین های CNC با استفاده از ابزارهای مختلف برش تغییر داد تا دبی و ویژگی های متفاوتی به دست آورد.نمونه ای از ایجاد یک کانال منحنی با ابزار 125 میکرومتر را می توان در Monaghan45 یافت.هنگامی که لایه فویل به صورت مسطح اعمال می شود، اعمال مواد فویل روی کانال ها سطحی صاف (مربع) خواهد داشت.در این کار از یک کانتور مربع برای حفظ تقارن کانال استفاده شده است.
در طی یک مکث برنامه ریزی شده در تولید، حسگرهای دمای ترموکوپل (نوع K) مستقیماً در بین گروه کانال بالایی و پایینی در دستگاه تعبیه می شوند (شکل 1 – مرحله 3).این ترموکوپل ها می توانند تغییرات دما را از 200- تا 1350 درجه سانتی گراد کنترل کنند.
فرآیند رسوب فلز توسط شاخ UAM با استفاده از فویل فلزی به عرض 25.4 میلی متر و ضخامت 150 میکرون انجام می شود.این لایه های فویل در یک سری از نوارهای مجاور به هم متصل می شوند تا کل منطقه ساخت را پوشش دهند.اندازه مواد رسوب داده شده بزرگتر از محصول نهایی است زیرا فرآیند تفریق شکل تمیز نهایی را ایجاد می کند.ماشینکاری CNC برای ماشینکاری خطوط خارجی و داخلی تجهیزات استفاده می شود که در نتیجه سطح تجهیزات و کانال ها مطابق با ابزار انتخابی و پارامترهای فرآیند CNC است (در این مثال، حدود 1.6 میکرومتر Ra).چرخه‌های پاشش و ماشین‌کاری مواد اولتراسونیک پیوسته و پیوسته در سراسر فرآیند ساخت دستگاه استفاده می‌شود تا اطمینان حاصل شود که دقت ابعادی حفظ می‌شود و قطعه تمام‌شده با سطوح دقت فرز دقیق CNC مطابقت دارد.عرض کانال مورد استفاده برای این دستگاه به اندازه کافی کوچک است تا اطمینان حاصل شود که مواد فویل در کانال سیال "افت نخواهند کرد" بنابراین کانال دارای سطح مقطع مربعی است.شکاف های احتمالی در مواد فویل و پارامترهای فرآیند UAM به طور تجربی توسط شریک سازنده (Fabrisonic LLC، ایالات متحده آمریکا) تعیین شد.
مطالعات نشان داده است که در رابط 46، 47 ترکیب UAM، انتشار کمی از عناصر بدون عملیات حرارتی اضافی وجود دارد، بنابراین برای دستگاه‌های موجود در این کار، لایه Cu-110 با لایه Al 6061 متفاوت است و به‌طور چشمگیری تغییر می‌کند.
یک تنظیم کننده فشار معکوس از پیش کالیبره شده (BPR) در 250 psi (1724 کیلو پاسکال) در پایین دست راکتور نصب کنید و آب را از طریق راکتور با سرعت 0.1 تا 1 میلی لیتر در دقیقه پمپ کنید.فشار راکتور با استفاده از مبدل فشار FlowSyn تعبیه شده در سیستم کنترل شد تا اطمینان حاصل شود که سیستم می تواند فشار ثابتی را حفظ کند.گرادیان های دمایی بالقوه در راکتور جریان با جستجوی هر گونه تفاوت بین ترموکوپل های ساخته شده در راکتور و ترموکوپل های ساخته شده در صفحه گرمایش تراشه FlowSyn مورد آزمایش قرار گرفتند.این امر با تغییر دمای برنامه ریزی شده صفحه داغ بین 100 تا 150 درجه سانتیگراد با افزایش 25 درجه سانتیگراد و نظارت بر هرگونه تفاوت بین دمای برنامه ریزی شده و ثبت شده به دست می آید.این با استفاده از ثبت کننده داده tc-08 (PicoTech، کمبریج، انگلستان) و نرم افزار PicoLog همراه آن به دست آمد.
شرایط برای واکنش سیکلوافزودن فنیل استیلن و یدواتان بهینه شده است (طرح 1-سیکلودیشن فنیل استیلن و یدواتان، طرح 1-سیکلودیشن فنیل استیلن و یدواتان).این بهینه‌سازی با استفاده از روش طراحی کامل فاکتوریل آزمایش‌ها (DOE)، با استفاده از دما و زمان ماند به عنوان متغیر در حالی که نسبت آلکین:آزید را در 1:2 ثابت می‌کرد، انجام شد.
محلول های جداگانه ای از آزید سدیم (0.25 M، 4:1 DMF: H2O)، یدواتان (0.25 M، DMF)، و فنیل استیلن (0.125 M، DMF) تهیه شد.مقدار 1.5 میلی لیتر از هر محلول مخلوط شد و با سرعت جریان و دمای مورد نظر از طریق راکتور پمپ شد.پاسخ مدل به عنوان نسبت مساحت پیک محصول تری آزول به ماده اولیه فنیل استیلن در نظر گرفته شد و با استفاده از کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا (HPLC) تعیین شد.برای ثبات آنالیز، تمام واکنش‌ها بلافاصله پس از خروج مخلوط واکنش از راکتور گرفته شد.محدوده پارامترهای انتخاب شده برای بهینه سازی در جدول 2 نشان داده شده است.
تمام نمونه ها با استفاده از یک سیستم کرومستر HPLC (VWR، PA، ایالات متحده آمریکا) متشکل از یک پمپ چهارتایی، اجاق ستونی، آشکارساز UV با طول موج متغیر و نمونه‌گیر خودکار تجزیه و تحلیل شدند.ستون معادل 5 C18 (VWR، PA، USA)، 4.6 × 100 میلی متر، اندازه ذرات 5 میکرومتر بود، که در دمای 40 درجه سانتی گراد نگهداری می شد.حلال متانول: آب ایزوکراتیک 50:50 با سرعت جریان 1.5 میلی لیتر در دقیقه بود.حجم تزریق 5 میکرولیتر و طول موج آشکارساز 254 نانومتر بود.درصد سطح پیک برای نمونه DOE تنها از نواحی پیک محصولات باقیمانده آلکین و تری آزول محاسبه شد.معرفی مواد اولیه امکان شناسایی قله های مربوطه را فراهم می کند.
ترکیب نتایج تجزیه و تحلیل راکتور با نرم افزار MODDE DOE (Umetrics، Malmö، سوئد) امکان تحلیل روند کامل نتایج و تعیین شرایط واکنش بهینه برای این سیکلودافزودن را فراهم کرد.اجرای بهینه ساز داخلی و انتخاب تمام عبارات مهم مدل، مجموعه ای از شرایط واکنش را ایجاد می کند که برای به حداکثر رساندن سطح پیک محصول طراحی شده و در عین حال مساحت پیک را برای خوراک استیلن کاهش می دهد.
اکسیداسیون سطح مس در محفظه واکنش کاتالیزوری با استفاده از محلول پراکسید هیدروژن (36٪) که از طریق محفظه واکنش جریان می یابد (سرعت جریان = 0.4 میلی لیتر در دقیقه، زمان ماند = 2.5 دقیقه) قبل از سنتز هر ترکیب تری آزول به دست آمد.کتابخانه
هنگامی که مجموعه شرایط بهینه تعیین شد، آنها بر روی طیف وسیعی از مشتقات استیلن و هالوآلکان اعمال شدند تا امکان گردآوری یک کتابخانه سنتز کوچک فراهم شود، در نتیجه امکان اعمال این شرایط برای طیف گسترده‌تری از معرف‌های بالقوه ایجاد شد (شکل 1).2).
محلول های جداگانه ای از آزید سدیم (0.25 M، 4:1 DMF:H2O)، هالوآلکان ها (0.25 M، DMF) و آلکین ها (0.125 M، DMF) آماده کنید.مقادیر 3 میلی لیتر از هر محلول مخلوط شده و با سرعت 75 میکرولیتر در دقیقه و دمای 150 درجه سانتیگراد از طریق راکتور پمپ شد.کل حجم در یک ویال جمع آوری شد و با 10 میلی لیتر اتیل استات رقیق شد.محلول نمونه با 3×10 میلی لیتر آب شسته شد.لایه‌های آبی با 10 میلی‌لیتر اتیل استات ترکیب و استخراج شدند، سپس لایه‌های آلی ترکیب شدند، با 10×3 میلی‌لیتر آب نمک شسته شدند، روی MgSO 4 خشک و صاف شدند، سپس حلال در خلاء حذف شد.نمونه ها با استفاده از کروماتوگرافی ستونی سیلیکاژل با استفاده از اتیل استات قبل از تجزیه و تحلیل با ترکیبی از HPLC، 1H NMR، 13C NMR و طیف سنجی جرمی با وضوح بالا (HR-MS) خالص شدند.
همه طیف ها با استفاده از طیف سنج جرمی Thermofischer Precision Orbitrap با ESI به عنوان منبع یونیزاسیون به دست آمد.تمام نمونه ها با استفاده از استونیتریل به عنوان حلال تهیه شدند.
تجزیه و تحلیل TLC بر روی صفحات سیلیکا با یک بستر آلومینیومی انجام شد.صفحات با نور ماوراء بنفش (254 نانومتر) یا رنگ آمیزی وانیلین و حرارت دیده شدند.
تمام نمونه‌ها با استفاده از سیستم VWR Chromaster (VWR International Ltd.، Leighton Buzzard، UK) مجهز به نمونه‌بردار خودکار، یک پمپ باینری با یک کوره ستونی و یک آشکارساز طول موج تک تجزیه و تحلیل شدند.یک ستون ACE Equivalence 5 C18 (150 x 4.6 میلی متر، Advanced Chromatography Technologies Ltd.، آبردین، اسکاتلند) استفاده شد.
تزریقات (5 میکرولیتر) مستقیماً از مخلوط واکنش خام رقیق شده (رقت 1:10) ساخته شد و با آب: متانول (50:50 یا 70:30) تجزیه و تحلیل شد، به استثنای برخی از نمونه‌ها با استفاده از سیستم حلال 70:30 (به عنوان شماره ستاره) با سرعت جریان 1.5 میلی لیتر در دقیقه.ستون در دمای 40 درجه سانتیگراد نگهداری شد.طول موج آشکارساز 254 نانومتر است.
درصد مساحت پیک نمونه از ناحیه پیک باقیمانده آلکین، فقط محصول تری آزول محاسبه شد و معرفی ماده اولیه امکان شناسایی پیک های مربوطه را فراهم کرد.
تمام نمونه ها با استفاده از Thermo iCAP 6000 ICP-OES آنالیز شدند.تمام استانداردهای کالیبراسیون با استفاده از محلول استاندارد مس 1000ppm در اسید نیتریک 2% (SPEX Certi Prep) تهیه شد.تمام استانداردها در محلول 5% DMF و 2% HNO3 تهیه شد و تمامی نمونه ها 20 بار با محلول نمونه DMF-HNO3 رقیق شدند.
UAM از جوشکاری فلز اولتراسونیک به عنوان روشی برای اتصال فویل فلزی مورد استفاده برای ایجاد مونتاژ نهایی استفاده می کند.در جوشکاری فلزات اولتراسونیک از یک ابزار فلزی ارتعاشی (به نام شاخ یا شاخ اولتراسونیک) برای اعمال فشار به فویل/لایه ای که قبلاً یکپارچه شده است استفاده می کند تا با ارتعاش مواد به هم چسبانده شود/قبلاً یکپارچه شود.برای کار مداوم، sonotrode شکل استوانه ای دارد و روی سطح مواد غلت می خورد و کل منطقه را می چسباند.هنگامی که فشار و لرزش اعمال می شود، اکسیدهای روی سطح مواد ممکن است ترک بخورند.فشار و ارتعاش ثابت می تواند منجر به از بین رفتن زبری مواد شود 36 .تماس نزدیک با گرما و فشار موضعی منجر به پیوند فاز جامد در سطح مشترک مواد می شود.همچنین می تواند با تغییر انرژی سطح، انسجام را ارتقا دهد.ماهیت مکانیسم پیوند بر بسیاری از مشکلات مربوط به دمای مذاب متغیر و اثرات دمای بالا ذکر شده در سایر فناوری‌های تولید افزودنی غلبه می‌کند.این اجازه می دهد تا به طور مستقیم (یعنی بدون اصلاح سطح، پرکننده یا چسب) چندین لایه از مواد مختلف به یک ساختار منسجم متصل شود.
دومین عامل مطلوب برای CAM درجه بالای جریان پلاستیکی است که در مواد فلزی حتی در دماهای پایین مشاهده می شود، یعنی بسیار پایین تر از نقطه ذوب مواد فلزی.ترکیبی از ارتعاشات و فشار اولتراسونیک باعث می‌شود سطح بالایی از مهاجرت مرزی دانه‌ها و تبلور مجدد بدون افزایش دما قابل توجهی که به طور سنتی با مواد حجیم همراه است، افزایش یابد.در حین ایجاد مونتاژ نهایی، می توان از این پدیده برای جاسازی اجزای فعال و غیرفعال بین لایه های فویل فلزی، لایه به لایه استفاده کرد.عناصری مانند فیبر نوری 49، تقویت کننده 46، الکترونیک 50 و ترموکوپل ها (این کار) با موفقیت در ساختارهای UAM ادغام شده اند تا مجموعه های کامپوزیت فعال و غیرفعال ایجاد کنند.
در این کار، هم از قابلیت‌های مختلف اتصال مواد و هم قابلیت‌های درون‌سازی UAM برای ایجاد یک میکروراکتور ایده‌آل برای کنترل دمای کاتالیزوری استفاده شد.
در مقایسه با پالادیوم (Pd) و سایر کاتالیزورهای متداول فلزی، کاتالیز مس چندین مزیت دارد: (1) از نظر اقتصادی، مس ارزان‌تر از بسیاری از فلزات دیگر مورد استفاده در کاتالیز است و بنابراین یک گزینه جذاب برای صنایع شیمیایی است (2) دامنه واکنش‌های جفت متقابل کاتالیز شده با مس در حال گسترش است و به نظر می‌رسد که تا حدودی 5-5،5-5،5،5،5،5،5،5،5،5،5،5،5،5،5،5،5،1،5،5،1،5،1، 1،5،5، 1،0،0،0،0،0،0،0،0،0) ارزان‌تر است. ) واکنش های کاتالیز شده با مس در غیاب لیگاندهای دیگر به خوبی عمل می کنند.این لیگاندها اغلب از نظر ساختاری ساده و ارزان هستند.در صورت تمایل، در حالی که موارد مورد استفاده در شیمی Pd اغلب پیچیده، گران قیمت و حساس به هوا هستند (iv) مس، به ویژه به دلیل توانایی آن در پیوند آلکین ها در سنتز، مانند جفت شدن کاتالیزور دو فلزی Sonogashira و سیکلودافزودن با آزیدها (شیمی کلیک کنید) (v) مس نیز می تواند در برخی از واکنش های هسته ای-نوکلئونسیل ترویج کند.
اخیراً نمونه‌هایی از هتروژن‌زایی همه این واکنش‌ها در حضور مس (0) نشان داده شده است.این تا حد زیادی به دلیل صنعت داروسازی و تمرکز فزاینده بر بازیافت و استفاده مجدد از کاتالیزورهای فلزی است55،56.
واکنش cycloaddition 1،3-دو قطبی بین استیلن و آزید به 1،2،3-تریازول، که برای اولین بار توسط Huisgen در دهه 1960 ارائه شد، به عنوان یک واکنش نمایشی هم افزایی در نظر گرفته می شود.قطعات 1،2،3 تری آزول حاصل به دلیل کاربردهای بیولوژیکی و استفاده در عوامل درمانی مختلف، به عنوان یک فارماکوفور در کشف دارو مورد توجه خاص هستند.
هنگامی که شارپلس و دیگران مفهوم «شیمی کلیک» را معرفی کردند، این واکنش دوباره مورد توجه قرار گرفت.اصطلاح "شیمی کلیکی" برای توصیف مجموعه ای قوی و انتخابی از واکنش ها برای سنتز سریع ترکیبات جدید و کتابخانه های ترکیبی با استفاده از پیوند هترواتمی (CXC)60 استفاده می شود.جذابیت مصنوعی این واکنش ها به دلیل بازده بالای آنهاست.شرایط ساده، مقاومت در برابر اکسیژن و آب و جداسازی محصول ساده است61.
سیکلودافزودن کلاسیک 1،3 دوقطبی Huisgen در دسته "شیمی کلیکی" قرار نمی گیرد.با این حال، مدال و شارپلس نشان دادند که این رویداد جفت شدن آزید-آلکین در حضور مس (I) در مقایسه با شتاب قابل‌توجهی در نرخ سیکلودافزودن دو قطبی غیر کاتالیزوری 62،63، تحت 107-108 قرار می‌گیرد.این مکانیسم واکنش پیشرفته نیازی به گروه های محافظ یا شرایط واکنش سخت ندارد و تبدیل و گزینش پذیری تقریباً کامل را به 1،2،3-تریازول های 1،4-دیگر جایگزین (ضد-1،2،3-تریازول) در طول زمان ارائه می دهد (شکل 3).
نتایج ایزومتریک سایکلودافیون های هویسگن معمولی و کاتالیز شده با مسcycloadditions Huisgen کاتالیز شده Cu (I) تنها 1،4-دیگر جایگزین 1،2،3-تریازول، در حالی که حرارتی cycloadditions Huisgen القا شده به طور معمول به 1،4- و 1،5-تریازول مخلوط 1:1 از استریوایزومرهای آزول.
بیشتر پروتکل ها شامل کاهش منابع پایدار Cu(II) مانند کاهش CuSO4 یا ترکیب Cu(II)/Cu(0) در ترکیب با نمک های سدیم هستند.در مقایسه با سایر واکنش‌های کاتالیز شده فلز، استفاده از Cu(I) دارای مزایای اصلی ارزان و آسان بودن است.
مطالعات جنبشی و ایزوتوپی توسط Worrell و همکاران.65 نشان داده اند که در مورد آلکین های پایانی، دو معادل مس در فعال کردن واکنش پذیری هر مولکول نسبت به آزید نقش دارند.مکانیسم پیشنهادی از طریق یک حلقه فلزی مسی شش عضوی ایجاد شده توسط هماهنگی استیلید مس با آزید با مس پیوند داده شده با σ به عنوان یک لیگاند دهنده پایدار تشکیل شده است.مشتقات تری آزولیل مس در نتیجه انقباض حلقه و به دنبال آن تجزیه پروتون برای تشکیل محصولات تری آزول و بسته شدن چرخه کاتالیزوری تشکیل می شوند.
در حالی که مزایای دستگاه های شیمی جریان به خوبی مستند شده است، تمایل به ادغام ابزارهای تحلیلی در این سیستم ها برای نظارت بر فرآیند در زمان واقعی در محل 66،67 وجود داشته است.ثابت شده است که UAM یک روش مناسب برای طراحی و ساخت راکتورهای جریان سه بعدی بسیار پیچیده از مواد رسانای حرارتی فعال کاتالیزوری با عناصر حسگر مستقیم تعبیه شده است (شکل 4).
راکتور جریان آلومینیوم-مس ساخته شده توسط تولید افزودنی اولتراسونیک (UAM) با ساختار کانال داخلی پیچیده، ترموکوپل های داخلی 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 با خیال راحت بالاتر از نقطه جوش حرارت داده شوند.آنها تحت فشار و دما آزمایش می شوند.آزمایش فشار نشان داد که سیستم فشار ثابت و ثابتی را حتی در فشار بالا در سیستم (1.7 مگاپاسکال) حفظ می کند.آزمایشات هیدرواستاتیک در دمای اتاق با استفاده از H2O به عنوان مایع انجام شد.
اتصال ترموکوپل داخلی (شکل 1) به دیتالاگر دما نشان داد که دمای ترموکوپل 6 درجه سانتیگراد (1± درجه سانتیگراد) کمتر از دمای برنامه ریزی شده در سیستم FlowSyn است.به طور معمول، افزایش 10 درجه سانتیگراد در دما، سرعت واکنش را دو برابر می کند، بنابراین اختلاف دما تنها چند درجه می تواند سرعت واکنش را به طور قابل توجهی تغییر دهد.این تفاوت به دلیل افت دما در سرتاسر RPV به دلیل انتشار حرارتی بالای مواد مورد استفاده در فرآیند ساخت است.این رانش حرارتی ثابت است و بنابراین می‌توان هنگام راه‌اندازی تجهیزات برای اطمینان از رسیدن به دماهای دقیق و اندازه‌گیری در طول واکنش به آن توجه کرد.بنابراین، این ابزار نظارت آنلاین کنترل دقیق دمای واکنش را تسهیل می‌کند و به بهینه‌سازی فرآیند دقیق‌تر و ایجاد شرایط بهینه کمک می‌کند.این حسگرها همچنین می توانند برای تشخیص واکنش های گرمازا و جلوگیری از واکنش های فرار در سیستم های مقیاس بزرگ استفاده شوند.
راکتور ارائه شده در این مقاله اولین نمونه از کاربرد فناوری UAM در ساخت راکتورهای شیمیایی است و به چندین محدودیت عمده در حال حاضر مرتبط با چاپ AM/3D این دستگاه‌ها می‌پردازد، مانند: (i) غلبه بر مشکلات ذکر شده مرتبط با پردازش مس یا آلیاژ آلومینیوم (ii) وضوح کانال داخلی بهبود یافته در مقایسه با روش‌های ذوب بستر پودری (PBSLF 59M). و بافت سطح ناهموار26 (iii) دمای پردازش پایین‌تر، که اتصال مستقیم حسگرها را تسهیل می‌کند، که در فناوری بستر پودری امکان‌پذیر نیست، (v) غلبه بر خواص مکانیکی ضعیف و حساسیت اجزای مبتنی بر پلیمر به حلال‌های آلی مختلف رایج17،19.
عملکرد راکتور با یک سری واکنش های سیکلوافزودن آلکینازید کاتالیز شده با مس در شرایط جریان پیوسته نشان داده شد (شکل 2).راکتور مس چاپ اولتراسونیک نشان داده شده در شکل.4 با یک سیستم جریان تجاری ادغام شد و برای سنتز یک کتابخانه آزیدی از 1،4، 1،2،3-تریازول های مختلف با استفاده از واکنش کنترل شده دما از استیلن و هالیدهای گروه آلکیل در حضور کلرید سدیم استفاده شد (شکل 3).استفاده از رویکرد جریان پیوسته مسائل ایمنی را که می تواند در فرآیندهای دسته ای ایجاد شود کاهش می دهد، زیرا این واکنش باعث تولید واسطه های آزیدی بسیار واکنش پذیر و خطرناک می شود [317]، [318].در ابتدا، واکنش برای سیکلوافزودن فنیل استیلن و یدواتان بهینه شد (شکل 1 - Cycloaddition فنیل استیلن و یدواتان) (شکل 5 را ببینید).
(بالا سمت چپ) شماتیک تنظیمات مورد استفاده برای ترکیب یک راکتور 3DP در یک سیستم جریان (بالا سمت راست) که از طرح بهینه شده (پایین) طرح سیکلودافزودن Huisgen 57 بین فنیل استیلن و یدواتان برای بهینه سازی و نشان دادن پارامترهای نرخ تبدیل بهینه شده واکنش به دست آمده است.
با کنترل زمان ماند واکنش دهنده ها در بخش کاتالیزوری راکتور و نظارت دقیق بر دمای واکنش با سنسور ترموکوپل یکپارچه شده مستقیم، شرایط واکنش را می توان با حداقل زمان و مواد به سرعت و با دقت بهینه کرد.به سرعت مشخص شد که بالاترین تبدیل با استفاده از زمان ماند 15 دقیقه و دمای واکنش 150 درجه سانتی گراد به دست آمد.از نمودار ضریب نرم افزار MODDE می توان دریافت که هم زمان ماند و هم دمای واکنش از شرایط مهم مدل در نظر گرفته می شوند.اجرای بهینه ساز داخلی با استفاده از این شرایط انتخاب شده، مجموعه ای از شرایط واکنش را ایجاد می کند که برای به حداکثر رساندن نواحی پیک محصول طراحی شده اند و در عین حال مناطق پیک مواد اولیه را کاهش می دهند.این بهینه سازی 53 درصد تبدیل محصول تری آزول را به همراه داشت که دقیقاً با پیش بینی مدل 54 درصد مطابقت داشت.