תודה שביקרתם באתר Nature.com. גרסת הדפדפן בה אתם משתמשים כוללת תמיכה מוגבלת ב-CSS. לחוויית המשתמש הטובה ביותר, אנו ממליצים להשתמש בדפדפן מעודכן (או להשבית את מצב התאימות ב-Internet Explorer). בינתיים, כדי להבטיח תמיכה מתמשכת, נציג את האתר ללא סגנונות ו-JavaScript.
קרוסלה המציגה שלוש שקופיות בו זמנית. השתמשו בכפתורים הקודם והבא כדי לעבור בין שלוש שקופיות בו זמנית, או השתמשו בכפתורי המחוון בסוף כדי לעבור בין שלוש שקופיות בו זמנית.
ייצור תוסף משנה את האופן שבו חוקרים ותעשיינים מתכננים ומייצרים מכשירים כימיים כדי לענות על צרכיהם הספציפיים. במאמר זה, אנו מדווחים על הדוגמה הראשונה של כור זרימה שנוצר על ידי למינציה של ייצור תוסף אולטרסוני (UAM) של יריעת מתכת מוצקה עם חלקים קטליטיים ורכיבי חישה משולבים ישירות. טכנולוגיית UAM לא רק מתגברת על רבות מהמגבלות הקשורות כיום לייצור תוסף של כורים כימיים, אלא גם מרחיבה מאוד את היכולות של מכשירים כאלה. מספר תרכובות 1,2,3-טריאזול בעלות חשיבות ביולוגית של 1,4-די-החלפות סונתזו בהצלחה ועברו אופטימיזציה על ידי תגובת ציקלואדיציה 1,3-דיפולרית Huisgen בתיווך נחושת באמצעות מתקן הכימיה UAM. באמצעות התכונות הייחודיות של UAM ועיבוד זרימה רציף, המכשיר מסוגל לזרז תגובות מתמשכות וכן לספק משוב בזמן אמת כדי לנטר ולמטב תגובות.
בשל יתרונותיה המשמעותיים על פני מקבילתה בתפזורת, כימיה של זרימה היא תחום חשוב וצומח הן במסגרות אקדמיות והן בתעשייה, בשל יכולתה להגביר את הסלקטיביות והיעילות של סינתזה כימית. זה משתרע החל מהיווצרות של מולקולות אורגניות פשוטות1 ועד לתרכובות פרמצבטיות2,3 ומוצרים טבעיים4,5,6. למעלה מ-50% מהתגובות בתעשיות הכימיה העדינה והפרמצבטיות יכולות להפיק תועלת מזרימה רציפה7.
בשנים האחרונות, ישנה מגמה הולכת וגוברת של קבוצות המבקשות להחליף כלי זכוכית או ציוד כימי זרימה מסורתי ב"כורים" כימיים הניתנים להתאמה אישית8. התכנון האיטרטיבי, הייצור המהיר ויכולות התלת-ממדיות (3D) של שיטות אלו שימושיים עבור אלו המעוניינים להתאים אישית את המכשירים שלהם לקבוצה מסוימת של תגובות, מכשירים או תנאים. עד כה, עבודה זו התמקדה כמעט אך ורק בשימוש בטכניקות הדפסה תלת-ממדיות מבוססות פולימרים כגון סטריאוליתוגרפיה (SL)9,10,11, מידול שיקוע התמזג (FDM)8,12,13,14 והדפסת הזרקת דיו7,15,16. חוסר האמינות והיכולת של מכשירים כאלה לבצע מגוון רחב של תגובות/ניתוחים כימיים17, 18, 19, 20 הוא גורם מגביל עיקרי ליישום רחב יותר של AM בתחום זה17, 18, 19, 20.
עקב השימוש הגובר בכימיה של זרימה והתכונות החיוביות הקשורות ל-AM, יש צורך לחקור טכניקות טובות יותר שיאפשרו למשתמשים לייצר כלי תגובת זרימה עם יכולות כימיות ואנליטיות משופרות. שיטות אלו אמורות לאפשר למשתמשים לבחור ממגוון חומרים בעלי חוזק גבוה או פונקציונליים המסוגלים לפעול תחת מגוון רחב של תנאי תגובה, וכן לאפשר צורות שונות של פלט אנליטי מהמכשיר כדי לאפשר ניטור ובקרה של התגובה.
תהליך ייצור תוסף אחד שניתן להשתמש בו לפיתוח כורים כימיים בהתאמה אישית הוא ייצור תוסף אולטרסוני (UAM). שיטת למינציה זו של יריעות במצב מוצק מיישמת ויברציות אולטרסוניות על יריעות מתכת דקות כדי לחבר אותן יחד שכבה אחר שכבה עם חימום נפחי מינימלי ורמה גבוהה של זרימה פלסטית 21, 22, 23. שלא כמו רוב טכנולוגיות ייצור תוסף אולטרסוניות אחרות, ניתן לשלב UAM ישירות עם ייצור חוסך, המכונה תהליך ייצור היברידי, שבו כרסום בקרה מספרית באתר (CNC) תקופתי או עיבוד לייזר קובעים את הצורה הנטו של שכבת החומר המודבק 24, 25. משמעות הדבר היא שהמשתמש אינו מוגבל לבעיות הקשורות להסרת חומר בנייה מקורי שיורי מתעלות נוזל קטנות, כפי שקורה לעתים קרובות במערכות אבקה ונוזל AM26,27,28. חופש עיצוב זה משתרע גם על בחירת החומרים הזמינים - UAM יכול לחבר שילובים של חומרים דומים ושונים מבחינה תרמית בשלב תהליך אחד. בחירת שילובי חומרים מעבר לתהליך ההיתוך פירושה שניתן לעמוד טוב יותר בדרישות המכניות והכימיות של יישומים ספציפיים. בנוסף לקשירה מוצקה, תופעה נוספת המתרחשת בהדבקה אולטרסאונד היא הנוזליות הגבוהה של חומרים פלסטיים בטמפרטורות נמוכות יחסית 29,30,31,32,33. תכונה ייחודית זו של UAM מאפשרת להציב אלמנטים מכניים/תרמיים בין שכבות מתכת ללא נזק. חיישני UAM משובצים יכולים להקל על מסירת מידע בזמן אמת מהמכשיר למשתמש באמצעות ניתוח משולב.
עבודות קודמות של המחברים32 הדגימו את יכולתו של תהליך UAM ליצור מבנים מיקרופלואידיים תלת-ממדיים מתכתיים עם יכולות חישה משובצות. מכשיר זה מיועד למטרות ניטור בלבד. מאמר זה מציג את הדוגמה הראשונה של כור כימי מיקרופלואידי המיוצר על ידי UAM, מכשיר פעיל אשר לא רק שולט אלא גם משרה סינתזה כימית עם חומרים קטליטיים משולבים מבנית. המכשיר משלב מספר יתרונות הקשורים לטכנולוגיית UAM בייצור התקנים כימיים תלת-ממדיים, כגון: היכולת להמיר עיצוב תלת-ממדי שלם ישירות ממודל תכנון בעזרת מחשב (CAD) למוצר; ייצור רב-חומרים לשילוב של מוליכות תרמית גבוהה וחומרים קטליטיים, כמו גם חיישנים תרמיים המוטמעים ישירות בין זרמי המגיבים לבקרה וניהול מדויקים של טמפרטורת התגובה. כדי להדגים את פונקציונליות הכור, ספרייה של תרכובות 1,4-די-הוחלפות 1,2,3-טריאזול חשובות מבחינה פרמצבטית סונתזה על ידי ציקלואדיציה 1,3-דיפולרית Huisgen מזורזת נחושת. עבודה זו מדגישה כיצד השימוש במדעי החומרים ובתכנון בעזרת מחשב יכול לפתוח אפשרויות והזדמנויות חדשות לכימיה באמצעות מחקר בין-תחומי.
כל הממסים והריאגנטים נרכשו מסיגמא-אלדריץ', אלפא אסאר, TCI או פישר סיינטיפיק ונעשה בהם שימוש ללא טיהור מוקדם. ספקטרום 1H ו-13C NMR שתועדו בתדרים של 400 ו-100 מגה-הרץ, בהתאמה, התקבל בספקטרומטר JEOL ECS-400 400 מגה-הרץ או בספקטרומטר Bruker Avance II 400 מגה-הרץ עם CDCl3 או (CD3)2SO3 כממס. כל התגובות בוצעו באמצעות פלטפורמת כימיה של הזרימה Uniqsis FlowSyn.
ייצור כל המכשירים במחקר זה נעשה באמצעות מערכת UAM (UAM). הטכנולוגיה הומצאה בשנת 1999 ואת פרטיה הטכניים, פרמטרי ההפעלה וההתפתחויות שלה מאז המצאתה ניתן ללמוד באמצעות החומרים שפורסמו הבאים34,35,36,37. המכשיר (איור 1) יושם באמצעות מערכת UAM SonicLayer 4000® בהספק כבד של 9 קילוואט (Fabrisonic, אוהיו, ארה"ב). החומרים שנבחרו עבור התקן הזרימה היו Cu-110 ו-Al 6061. ל-Cu-110 תכולת נחושת גבוהה (לפחות 99.9% נחושת), מה שהופך אותו למועמד טוב לתגובות מזורזות נחושת ולכן משמש כ"שכבה פעילה בתוך המיקרו-ריאקטור". Al 6061O משמש כחומר "תפזורת". , כמו גם שכבת האינטרקלציה המשמשת לניתוח; אינטרקלציה של רכיבי סגסוגת עזר ומצב חישול בשילוב עם שכבת Cu-110. נמצא כיציב כימית עם הריאגנטים ששימשו בעבודה זו. Al 6061O בשילוב עם Cu-110 נחשב גם הוא לשילוב חומרים תואם עבור UAM ולכן הוא חומר מתאים למחקר זה 38,42. התקנים אלה מפורטים בטבלה 1 להלן.
שלבי ייצור הכור (1) מצע מסגסוגת אלומיניום 6061 (2) ייצור תעלה תחתונה מרדיד נחושת (3) הכנסת צמדים תרמיים בין השכבות (4) תעלה עליונה (5) כניסה ויציאה (6) כור מונוליטי.
פילוסופיית תכנון תעלות הנוזלים היא להשתמש במסלול מפותל כדי להגדיל את המרחק שעובר הנוזל בתוך השבב תוך שמירה על גודל שבב שניתן לנהל. הגדלת מרחק זו רצויה כדי להגדיל את זמן המגע בין הזרז למגיב ולספק תפוקות מוצר מצוינות. השבבים משתמשים בכיפופים של 90 מעלות בקצוות המסלול הישר כדי לגרום לערבוב טורבולנטי בתוך המכשיר44 ולהגדיל את זמן המגע של הנוזל עם פני השטח (הזרז). כדי לשפר עוד יותר את הערבוב שניתן להשיג, תכנון הכור כולל שני פתחי כניסת מגיב המשולבים בחיבור Y לפני הכניסה לחלק סליל הערבוב. הכניסה השלישית, שחוצה את הזרימה באמצע שהותו, כלולה בתוכנית לתגובות סינתזה רב-שלביות עתידיות.
לכל התעלות פרופיל מרובע (ללא זוויות התחדדות), שהוא תוצאה של כרסום CNC תקופתי המשמש ליצירת גיאומטריית התעלה. ממדי התעלה נבחרו כדי לספק תפוקה נפחית גבוהה (עבור מיקרו-ריאקטור), אך קטנה מספיק כדי להקל על אינטראקציה עם פני השטח (זרזים) עבור רוב הנוזלים שהיא מכילה. הגודל המתאים מבוסס על ניסיון העבר של המחברים עם התקני תגובה מתכת-נוזל. הממדים הפנימיים של התעלה הסופית היו 750 מיקרומטר x 750 מיקרומטר ונפח הריאקטור הכולל היה 1 מ"ל. מחבר מובנה (הברגה 1/4″-28 UNF) כלול בתכנון כדי לאפשר חיבור קל של המכשיר עם ציוד כימיה מסחרי לזרימה. גודל התעלה מוגבל על ידי עובי חומר הרדיד, התכונות המכניות שלו ופרמטרי ההדבקה המשמשים באולטרסאונד. ברוחב מסוים עבור חומר נתון, החומר "ישקע" לתוך התעלה שנוצרה. נכון לעכשיו, אין מודל ספציפי לחישוב זה, ולכן רוחב התעלה המקסימלי עבור חומר ועיצוב נתונים נקבע באופן ניסיוני, ובמקרה כזה רוחב של 750 מיקרומטר לא יגרום לשקיעה.
צורת התעלה (הריבוע) נקבעת באמצעות חותך מרובע. ניתן לשנות את צורת וגודל התעלות במכונות CNC באמצעות כלי חיתוך שונים כדי להשיג קצבי זרימה ומאפיינים שונים. דוגמה ליצירת תעלה מעוקלת בעזרת כלי 125 מיקרומטר ניתן למצוא ב-Monaghan45. כאשר שכבת נייר הכסף מיושמת בצורה שטוחה, יישום חומר נייר הכסף על התעלות יביא למשטח שטוח (מרובע). בעבודה זו, נעשה שימוש בקווי מתאר ריבועיים כדי לשמר את סימטריית התעלה.
במהלך הפסקה מתוכנתת בייצור, חיישני טמפרטורה של צמד תרמי (סוג K) מובנים ישירות בתוך המכשיר בין קבוצות הערוצים העליונות והתחתונות (איור 1 - שלב 3). צמדים תרמיים אלה יכולים לשלוט בשינויי טמפרטורה מ-200- עד 1350 מעלות צלזיוס.
תהליך שקיעת המתכת מתבצע על ידי קרן UAM באמצעות נייר כסף ברוחב 25.4 מ"מ ועובי 150 מיקרון. שכבות נייר הכסף הללו מחוברות בסדרה של רצועות סמוכות כדי לכסות את כל שטח הבנייה; גודל החומר המופקד גדול יותר מהמוצר הסופי, שכן תהליך ההחמצה יוצר את הצורה הנקייה הסופית. עיבוד שבבי CNC משמש לעיבוד קווי המתאר החיצוניים והפנימיים של הציוד, וכתוצאה מכך גימור פני השטח של הציוד והתעלות התואם את הכלי שנבחר ואת פרמטרי תהליך ה-CNC (בדוגמה זו, כ-1.6 מיקרומטר Ra). מחזורי ריסוס ועיבוד שבבי רציפים של חומר באולטרסאונד משמשים לאורך כל תהליך הייצור של המכשיר כדי להבטיח שמירה על דיוק ממדי והחלק המוגמר עומד ברמות דיוק של כרסום עדין של CNC. רוחב התעלה המשמשת עבור מכשיר זה קטן מספיק כדי להבטיח שחומר נייר הכסף לא "ישקע" בתעלת הנוזל, כך שלתעלה יש חתך מרובע. פערים אפשריים בחומר נייר הכסף והפרמטרי תהליך ה-UAM נקבעו בניסוי על ידי שותף הייצור (Fabrisonic LLC, ארה"ב).
מחקרים הראו שבממשק 46, 47 של תרכובת ה-UAM יש דיפוזיה מועטה של ​​יסודות ללא טיפול בחום נוסף, כך שעבור המכשירים בעבודה זו שכבת ה-Cu-110 נשארת שונה משכבת ​​ה-Al 6061 ומשתנה באופן דרמטי.
התקינו וסת לחץ אחורי (BPR) מכויל מראש בלחץ של 250 psi (1724 kPa) במורד הזרם של הכור ושאבו מים דרכו בקצב של 0.1 עד 1 מ"ל לדקה. לחץ הכור נוטר באמצעות מתמר הלחץ FlowSyn המובנה במערכת כדי להבטיח שהמערכת תוכל לשמור על לחץ קבוע וקבוע. נבדקו גרדיאנטים פוטנציאליים של טמפרטורה בכור הזרימה על ידי חיפוש הבדלים בין הצמדים התרמיים המובנים בכור לבין הצמדים התרמיים המובנים בלוח החימום של שבב FlowSyn. זה מושג על ידי שינוי טמפרטורת לוח החימום המתוכנת בין 100 ל-150 מעלות צלזיוס במרווחים של 25 מעלות צלזיוס וניטור כל הבדל בין הטמפרטורות המתוכנתות והנרשמות. זה הושג באמצעות לוגר הנתונים tc-08 (PicoTech, קיימברידג', בריטניה) ותוכנת PicoLog הנלווית.
התנאים לתגובת הציקלואדיציה של פנילאצטילן ויודואתן עברו אופטימיזציה (תרשים 1 - ציקלואדיציה של פנילאצטילן ויודואתן, תרשים 1 - ציקלואדיציה של פנילאצטילן ויודואתן). אופטימיזציה זו בוצעה באמצעות גישת עיצוב פקטוריאלי מלא של ניסויים (DOE), תוך שימוש בטמפרטורה ובזמן שהייה כמשתנים תוך קביעת יחס אלקין:אזיד ל-1:2.
הוכנו תמיסות נפרדות של נתרן אזיד (0.25 M, 4:1 DMF:H2O), יודואתאן (0.25 M, DMF) ופנילאצטילן (0.125 M, DMF). חלק של 1.5 מ"ל מכל תמיסה עורבב ונשאב דרך הכור בקצב הזרימה והטמפרטורה הרצויים. תגובת המודל נלקחה כיחס בין שטח השיא של תוצר הטריאזול לחומר המוצא של פנילאצטילן ונקבעה באמצעות כרומטוגרפיית נוזלים בעלת ביצועים גבוהים (HPLC). לשם עקביות הניתוח, כל התגובות נלקחו מיד לאחר שתערובת התגובה עזבה את הכור. טווחי הפרמטרים שנבחרו לאופטימיזציה מוצגים בטבלה 2.
כל הדגימות נותחו באמצעות מערכת HPLC Chromaster (VWR, PA, USA) המורכבת ממשאבה רביעית, תנור עמודה, גלאי UV באורך גל משתנה ודוגם אוטומטי. העמודה הייתה Equivalence 5 C18 (VWR, PA, USA), 4.6 x 100 מ"מ, גודל חלקיקים 5 מיקרומטר, שנשמרה בטמפרטורה של 40°C. הממס היה מתנול:מים איזוקרטי 50:50 בקצב זרימה של 1.5 מ"ל·דקה-1. נפח ההזרקה היה 5 מיקרוליטר ואורך הגל של הגלאי היה 254 ננומטר. שטח השיא באחוזים עבור דגימת DOE חושב משטחי השיא של תוצרי האלקין והטריאזול השיוריים בלבד. הכנסת חומר המוצא מאפשרת לזהות את השיאים המתאימים.
שילוב תוצאות ניתוח הכור עם תוכנת MODDE DOE (Umetrics, Malmö, שבדיה) אפשר ניתוח מגמות מעמיק של התוצאות וקביעת תנאי התגובה האופטימליים עבור ציקלואדיציה זו. הפעלת הממטב המובנה ובחירת כל מונחי המודל החשובים יוצרת קבוצה של תנאי תגובה שנועדו למקסם את שטח השיא של התוצר תוך הקטנת שטח השיא עבור חומר הגלם של אצטילן.
חמצון פני השטח של הנחושת בתא התגובה הקטליטי הושג באמצעות תמיסת מי חמצן (36%) שזרמה דרך תא התגובה (קצב זרימה = 0.4 מ"ל לדקה, זמן שהייה = 2.5 דקות) לפני הסינתזה של כל תרכובת טריאזול. ספרייה.
לאחר שנקבעה מערכת התנאים האופטימלית, הם יושמו על מגוון נגזרות אצטילן והלואלקאן כדי לאפשר קומפילציה של ספריית סינתזה קטנה, ובכך ביסס את האפשרות ליישם תנאים אלה על מגוון רחב יותר של ריאגנטים פוטנציאליים (איור 1).
הכינו תמיסות נפרדות של נתרן אזיד (0.25 M, 4:1 DMF:H2O), הלואלקאנים (0.25 M, DMF) ואלקינים (0.125 M, DMF). מנות של 3 מ"ל מכל תמיסה עורבבו ונשאבו דרך הכור בקצב של 75 מיקרוליטר/דקה ובטמפרטורה של 150°C. כל הנפח נאסף בבקבוקון ודולל ב-10 מ"ל של אתיל אצטט. תמיסת הדגימה נשטפה עם 3 x 10 מ"ל מים. השכבות המימיות אוחדו וחולצו עם 10 מ"ל של אתיל אצטט, לאחר מכן אוחדו השכבות האורגניות, נשטפו עם 3 × 10 מ"ל של תמיסת מלח, יובשו מעל MgSO4 וסוננו, ולאחר מכן הממס הוסר בוואקום. הדגימות טוהרו באמצעות כרומטוגרפיית עמודת סיליקה ג'ל באמצעות אתיל אצטט לפני ניתוח באמצעות שילוב של HPLC, 1H NMR, 13C NMR וספקטרומטריית מסה ברזולוציה גבוהה (HR-MS).
כל הספקטרומים התקבלו באמצעות ספקטרומטר מסות Thermofischer Precision Orbitrap עם ESI כמקור יינון. כל הדגימות הוכנו באמצעות אצטוניטריל כממס.
ניתוח TLC בוצע על לוחות סיליקה עם מצע אלומיניום. הלוחות נבדקו באמצעות אור UV (254 ננומטר) או צביעה ונילין וחימום.
כל הדגימות נותחו באמצעות מערכת VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, UK) המצוידת בדוגם אוטומטי, משאבה בינארית עם תנור עמודה וגלאי אורך גל יחיד. נעשה שימוש בעמודה ACE Equivalence 5 C18 (150 x 4.6 מ"מ, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, סקוטלנד).
הזרקות (5 מיקרוליטר) בוצעו ישירות מתערובת התגובה הגולמית המדוללת (דילול 1:10) ונותחו באמצעות מים:מתנול (50:50 או 70:30), למעט כמה דגימות שהשתמשו במערכת ממס 70:30 (מסומנת כמספר כוכב) בקצב זרימה של 1.5 מ"ל/דקה. העמודה נשמרה בטמפרטורה של 40°C. אורך הגל של הגלאי הוא 254 ננומטר.
שטח השיא באחוזים של הדגימה חושב משטח השיא של האלקין השיורי, תוצר הטריאזול בלבד, והכנסת חומר המוצא אפשרה זיהוי הפסגות המתאים.
כל הדגימות נותחו באמצעות Thermo iCAP 6000 ICP-OES. כל תקני הכיול הוכנו באמצעות תמיסת תקן נחושת בריכוז 1000 ppm בחומצה חנקתית 2% (SPEX Certi Prep). כל הסטנדרטים הוכנו בתמיסה של 5% DMF ו-2% HNO3, וכל הדגימות דוללו פי 20 עם תמיסת דגימה של DMF-HNO3.
UAM משתמש בריתוך מתכת אולטרסאונד כשיטה לחיבור נייר הכסף המשמש ליצירת ההרכבה הסופית. ריתוך מתכת אולטרסאונד משתמש בכלי מתכת רוטט (הנקרא קרן או אולטרסאונד) כדי להפעיל לחץ על נייר הכסף/שכבה מאוחדת בעבר שיש לחבר/לאחד בעבר על ידי רטט החומר. לפעולה רציפה, לסונוטרודה יש ​​צורה גלילית והיא מתגלגלת על פני החומר, ומדביקה את כל האזור. כאשר מופעלים לחץ ורעידות, התחמוצות על פני החומר עלולות להיסדק. לחץ ורעידות קבועים יכולים להוביל להרס חספוס החומר 36. מגע קרוב עם חום ולחץ מקומיים מוביל אז לקשר פאזה מוצקה בממשקי החומר; זה יכול גם לקדם לכידות על ידי שינוי אנרגיית פני השטח 48. אופי מנגנון ההדבקה מתגבר על רבות מהבעיות הקשורות לטמפרטורת ההיתוך המשתנה ולאפקטים של טמפרטורה גבוהה המוזכרים בטכנולוגיות ייצור תוספי אחרות. זה מאפשר חיבור ישיר (כלומר, ללא שינוי פני השטח, חומרי מילוי או דבקים) של מספר שכבות של חומרים שונים למבנה מאוחד יחיד.
הגורם החיובי השני עבור CAM הוא דרגת הזרימה הפלסטית הגבוהה הנצפית בחומרים מתכתיים אפילו בטמפרטורות נמוכות, כלומר הרבה מתחת לנקודת ההיתוך של חומרים מתכתיים. השילוב של תנודות קוליות ולחץ גורם לרמה גבוהה של נדידת גבולות גרגירים מקומית והתגבשות מחדש ללא עליית הטמפרטורה המשמעותית המקושרת באופן מסורתי לחומרים בתפזורת. במהלך יצירת ההרכבה הסופית, ניתן להשתמש בתופעה זו כדי להטמיע רכיבים פעילים ופסיביים בין שכבות של נייר כסף מתכת, שכבה אחר שכבה. אלמנטים כגון סיב אופטי 49, חיזוק 46, אלקטרוניקה 50 וצמדים תרמיים (עבודה זו) שולבו בהצלחה במבני UAM כדי ליצור מכלולים מרוכבים פעילים ופסיביים.
בעבודה זו, נעשה שימוש הן ביכולות קשירת חומרים שונות והן ביכולות אינטרקלציה של UAM כדי ליצור מיקרו-ריאקטור אידיאלי לבקרת טמפרטורה קטליטית.
בהשוואה לפלדיום (Pd) ולזרזי מתכת נפוצים אחרים, לקטליזה של נחושת יש מספר יתרונות: (i) מבחינה כלכלית, נחושת זולה יותר ממתכות רבות אחרות המשמשות בקטליזה ולכן מהווה אופציה אטרקטיבית עבור התעשייה הכימית (ii) מגוון תגובות הצימוד הצולב המזורזות על ידי נחושת מתרחב ונראה שהוא משלים במידה מסוימת את המתודולוגיות המבוססות על Pd (iii) תגובות המזורזות על ידי נחושת פועלות היטב בהיעדר ליגנדים אחרים. ליגנדים אלה לרוב פשוטים מבחינה מבנית וזולים, במידת הצורך, בעוד שאלה המשמשים בכימיה של Pd לרוב מורכבים, יקרים ורגישים לאוויר (iv) נחושת, הידועה במיוחד ביכולתה לקשור אלקינים בסינתזה, כגון הצימוד המזורז הבי-מתכתי של סונוגאשירה וציקלואדיציה עם אזידים (כימיה של קליק) (v) נחושת יכולה גם לקדם את הארילציה של חלק מהנוקלאופילים בתגובות מסוג אולמן.
לאחרונה, הודגמו דוגמאות להטרוגניזציה של כל התגובות הללו בנוכחות Cu(0). זאת בעיקר בשל תעשיית התרופות וההתמקדות הגוברת בהשבת ושימוש חוזר בזרזים מתכתיים.
תגובת הציקלואדיציה 1,3-דיפולרית בין אצטילן ואזיד ל-1,2,3-טריאזול, שהוצעה לראשונה על ידי הויסגן בשנות ה-6057, נחשבת לתגובת הדגמה סינרגטית. שברי ה-1,2,3-טריאזול המתקבלים מעניינים במיוחד כפרמקופור בגילוי תרופות בשל יישומיהם הביולוגיים והשימוש בהם בתרופות שונות58.
תגובה זו זכתה לתשומת לב מחודשת כאשר שארפלס ואחרים הציגו את המושג "כימיה של קליק"59. המונח "כימיה של קליק" משמש לתיאור קבוצה חזקה וסלקטיבית של תגובות לסינתזה מהירה של תרכובות חדשות וספריות קומבינטוריות באמצעות קשר הטרואטומי (CXC)60. המשיכה הסינתטית של תגובות אלו נובעת מהתפוקות הגבוהות הקשורות אליהן. התנאים פשוטים, העמידות בפני חמצן ומים, והפרדת התוצרים פשוטה61.
הציקלואדיציה הקלאסית של Huisgen 1,3-דיפולרית אינה נופלת תחת קטגוריית "כימיה של קליקים". עם זאת, מדל ושארפלס הדגימו שאירוע צימוד אזיד-אלקין זה עובר 107-108 בנוכחות Cu(I) בהשוואה להאצה משמעותית בקצב הציקלואדיציה הלא-קטליטית של 1,3-דיפולרית 62,63. מנגנון תגובה מתקדם זה אינו דורש קבוצות מגן או תנאי תגובה קשים ומספק המרה וסלקטיביות כמעט מלאות ל-1,2,3-טריאזולים דו-מותמרים של 1,4 (אנטי-1,2,3-טריאזולים) לאורך זמן (איור 3).
תוצאות איזומטריות של ציקלואדיציות Huisgen קונבנציונליות ומזורזות נחושת. ציקלואדיציות Huisgen מזורזות Cu(I) נותנות רק 1,2,3-טריאזולים בעלי 1,4-די-החלפה, בעוד שציקלואדיציות Huisgen המושרות תרמית נותנות בדרך כלל 1,4- ו-1,5-טריאזולים בתערובת 1:1 של סטריאואיזומרים של אזולים.
רוב הפרוטוקולים כוללים חיזור של מקורות יציבים של Cu(II), כגון חיזור של CuSO4 או תרכובת Cu(II)/Cu(0) בשילוב עם מלחי נתרן. בהשוואה לתגובות אחרות המזורזות על ידי מתכות, לשימוש ב-Cu(I) יש יתרונות עיקריים של היותו זול וקל לטיפול.
מחקרים קינטיים ואיזוטופיים של וורל ועמיתיו 65 הראו שבמקרה של אלקינים טרמינליים, שני מקבילות של נחושת מעורבות בהפעלת הריאקטיביות של כל מולקולה ביחס לאזיד. המנגנון המוצע מתנהל באמצעות טבעת מתכת נחושת בת שישה איברים הנוצרת על ידי קואורדינציה של אזיד לאצטיליד נחושת הקשור ל-σ עם נחושת הקשורה ל-π כליגנד תורם יציב. נגזרות טריאזוליל של נחושת נוצרות כתוצאה מהתכווצות הטבעת ואחריה פירוק פרוטונים ליצירת תוצרי טריאזול וסגירת המחזור הקטליטי.
בעוד שהיתרונות של התקני כימיה של זרימה מתועדים היטב, קיים רצון לשלב כלים אנליטיים במערכות אלו לצורך ניטור תהליכים בזמן אמת באתר 66,67. UAM הוכח כשיטה מתאימה לתכנון וייצור כורי זרימה תלת-ממדיים מורכבים מאוד מחומרים פעילים קטליטית ומוליכים תרמית עם אלמנטי חישה משובצים ישירות (איור 4).
כור זרימה אלומיניום-נחושת המיוצר בייצור תוספי אולטרסאונד (UAM) עם מבנה תעלות פנימי מורכב, צמדים תרמיים מובנים ותא תגובה קטליטי. כדי להמחיש את נתיבי הנוזל הפנימיים, מוצג גם אב טיפוס שקוף שנעשה באמצעות סטריאוליתוגרפיה.
כדי להבטיח שכורים יבוצעו לתגובות אורגניות עתידיות, יש לחמם את הממסים בבטחה מעל נקודת הרתיחה שלהם; הם עוברים בדיקות לחץ וטמפרטורה. בדיקות הלחץ הראו שהמערכת שומרת על לחץ יציב וקבוע גם בלחץ מוגבר במערכת (1.7 מגה פסקל). בדיקות הידרוסטטיות בוצעו בטמפרטורת החדר תוך שימוש בנוזל H2O.
חיבור הצמד התרמי המובנה (איור 1) לאוגר נתוני הטמפרטורה הראה שטמפרטורת הצמד התרמי הייתה נמוכה ב-6 מעלות צלזיוס (± 1 מעלות צלזיוס) מהטמפרטורה המתוכנתת במערכת FlowSyn. בדרך כלל, עלייה של 10 מעלות צלזיוס בטמפרטורה מכפילה את קצב התגובה, כך שהפרש טמפרטורה של כמה מעלות בלבד יכול לשנות את קצב התגובה באופן משמעותי. הבדל זה נובע מאובדן הטמפרטורה לאורך כל ה-RPV עקב הדיפוזיביות התרמית הגבוהה של החומרים המשמשים בתהליך הייצור. סחיפה תרמית זו קבועה ולכן ניתן לקחת אותה בחשבון בעת ​​הגדרת הציוד על מנת להבטיח שמושגים ונמדדים טמפרטורות מדויקות במהלך התגובה. לפיכך, כלי ניטור מקוון זה מאפשר שליטה הדוקה בטמפרטורת התגובה ותורם לאופטימיזציה מדויקת יותר של התהליך ולפיתוח תנאים אופטימליים. ניתן להשתמש בחיישנים אלה גם לגילוי תגובות אקסותרמיות ולמניעת תגובות סרק במערכות בקנה מידה גדול.
הכור המוצג במאמר זה הוא הדוגמה הראשונה ליישום טכנולוגיית UAM לייצור כורים כימיים והוא מטפל במספר מגבלות עיקריות הקשורות כיום להדפסה AM/תלת-ממדית של התקנים אלה, כגון: (i) התגברות על הבעיות שצוינו הקשורות לעיבוד של נחושת או סגסוגת אלומיניום (ii) שיפור ברזולוציית התעלה הפנימית בהשוואה לשיטות התכת מצע אבקה (PBF) כגון התכת לייזר סלקטיבית (SLM)25,69 זרימת חומר ירודה ומרקם פני שטח מחוספס26 (iii) טמפרטורת עיבוד נמוכה יותר, המאפשרת חיבור ישיר של חיישנים, דבר שאינו אפשרי בטכנולוגיית מצע אבקה, (v) התגברות על התכונות המכניות הירודות והרגישות של רכיבים מבוססי פולימר לממסים אורגניים נפוצים שונים17,19.
פונקציונליות הכור הודגמה על ידי סדרה של תגובות ציקלואדיציה של אלקינזיד מזורזות נחושת בתנאי זרימה רציפים (איור 2). כור הנחושת המודפס באולטרסאונד המוצג באיור 4 שולב עם מערכת זרימה מסחרית ושימש לסינתזה של ספריית אזידים של 1,4-די-מותמרים 1,2,3-טריאזולים שונים באמצעות תגובה מבוקרת טמפרטורה של אצטילן והלידים של קבוצות אלקיל בנוכחות נתרן כלורי (איור 3). השימוש בגישת הזרימה הרציפה מפחית את בעיות הבטיחות שעלולות להתעורר בתהליכי אצווה, מכיוון שתגובה זו מייצרת תוצרי ביניים אזידיים בעלי תגובת אנרגיה גבוהה ומסוכנים [317], [318]. בתחילה, התגובה עברה אופטימיזציה לציקלואדיציה של פנילאצטילן ויודואתן (תרשים 1 - ציקלואדיציה של פנילאצטילן ויודואתן) ​​(ראה איור 5).
(למעלה משמאל) סכמטיקה של ההתקנה המשמשת לשילוב כור 3DP במערכת זרימה (למעלה מימין) שהתקבלה מהסכימה האופטימלית (למטה) של סכמת הציקלואדיציה Huisgen 57 בין פנילאצטילן ליודואתן לצורך אופטימיזציה ומציגה את פרמטרי קצב ההמרה האופטימליים של התגובה.
על ידי שליטה בזמן השהייה של המגיבים בחלק הקטליטי של הכור וניטור קפדני של טמפרטורת התגובה באמצעות חיישן תרמי משולב ישירות, ניתן לבצע אופטימיזציה מהירה ומדויקת של תנאי התגובה במינימום זמן וחומרים. במהרה התגלה כי ההמרה הגבוהה ביותר הושגה באמצעות זמן שהייה של 15 דקות וטמפרטורת תגובה של 150 מעלות צלזיוס. ניתן לראות מגרף המקדמים של תוכנת MODDE כי גם זמן השהייה וגם טמפרטורת התגובה נחשבים לתנאים חשובים במודל. הפעלת הממטב המובנה באמצעות תנאים נבחרים אלה יוצרת קבוצה של תנאי תגובה שנועדו למקסם את שטחי שיא התוצר תוך הקטנת שטחי שיא חומר המוצא. אופטימיזציה זו הניבה המרה של 53% של תוצר הטריאזול, אשר תאמה בדיוק את תחזית המודל שעמדה על 54%.