固体積層造形金属マイクロフローリアクター内での相補的な触媒作用と分析

Aug 30, 2023

Scientific Reports volume 12、記事番号: 5121 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

積層造形は、研究者や実業家が特定のニーズを満たす化学デバイスを設計および製造する方法を変革しています。 この研究では、固体金属シート積層技術である超音波積層造形 (UAM) によって形成され、直接統合された触媒セクションと検出素子を備えたフロー リアクターの最初の例を報告します。 UAM テクノロジーは、化学反応装置の積層造形に関連する現在の制限の多くを克服するだけでなく、そのようなデバイスの機能も大幅に向上します。 生物学的に重要な一連の 1,4-二置換 1,2,3-トリアゾール化合物の合成に成功し、UAM 化学デバイスを使用した Cu 媒介 Huisgen 1,3-双極子環化付加反応によりインフローを最適化しました。 UAM と連続フロー処理の独自の特性を活用することで、このデバイスは進行中の反応を触媒しながら、反応の監視と最適化のためのリアルタイムのフィードバックを提供することができました。

フローケミストリーは、バッチ式のものに比べて顕著な利点があるため、化学合成の選択性と効率を向上させる能力があるため、学術および産業の両方の現場で重要かつ成長している分野となっています。 これは、単純な有機分子の形成 1 から、医薬品化合物 2、3 および天然物 4、5、6 にまで及びます。 ファインケミカルおよび製薬部門の反応の 50% 以上は、連続フロー処理の採用から恩恵を受ける可能性があります 7。

近年、グループが従来のガラス製品やフローケミストリー装置を置き換えて、カスタマイズ可能な添加剤製造 (AM) 化学「反応装置」を採用しようとする傾向が高まっています8。 これらのテクノロジーの反復設計、迅速な生産、および 3 次元 (3D) 機能は、デバイスを特定の一連の反応、装置、または条件に合わせて調整したいと考えているユーザーにとって非常に有益です。 現在まで、この研究は、光造形 (SL)9、10、11、熱溶融堆積モデリング (FDM)8、12、13、14、インクジェット印刷 7、15 などのポリマーベースの 3D 印刷技術の使用にほぼ専念してきました。 16. このようなデバイスは、堅牢性や幅広い化学反応/分析を実行する能力に欠けており 17、18、19、20、これがこの分野での AM のより広範な実装における主要な制限要因となっています 17、18、19、20。

フローケミストリーとAMに関連する有利な特性の利用が増加しているため、ユーザーが化学的および分析的機能を強化したフロー反応ウェアを製造できるようにする、より高度な技術を探索することが重要です。 これらの技術により、ユーザーは、幅広い反応条件に対応できる一連の非常に堅牢な材料や機能的な材料から選択できるようになり、同時にデバイスからのさまざまな分析出力形式を容易にして、反応の監視と制御を可能にする必要があります。

オーダーメイドの化学反応装置を開発できる可能性のある AM プロセスの 1 つは、超音波積層造形 (UAM) です。 このソリッドステートシート積層技術は、薄い金属箔に超音波振動を加えて、最小限のバルク加熱と高度なプラスチック流動で層ごとに接合します21、22、23。 他のほとんどの AM 技術とは異なり、UAM は、ハイブリッド製造プロセスと呼ばれるサブトラクティブ製造と直接統合できます。このプロセスでは、その場での周期的なコンピューター数値制御 (CNC) フライス加工またはレーザー加工によって、接着材料層の最終形状が定義されます 24、25。 これは、ユーザーが、粉末および液体 AM システムでよくあることである、小さな流体経路からの未処理の残留造形材料の除去に関連する問題によって制限されないことを意味します 26、27、28。 この設計の自由度は、利用可能な材料の選択にも及びます。UAM は、熱的に類似した材料と異なる材料の組み合わせを 1 つのプロセス ステップで接着できます。 溶融プロセスを超えた材料の組み合わせの選択は、特定の用途の機械的および化学的ニーズをより適切に満たすことができることを意味します。 固体接合に加えて、超音波接合中に遭遇する追加の現象は、比較的低温でのプラスチック材料の高度な流動です29、30、31、32、33。 UAM のこのユニークな機能により、機械的/熱的に敏感な要素を損傷することなく金属層間に容易に埋め込むことができます。 UAM 埋め込みセンサーは、統合された分析を通じてデバイスからユーザーへのリアルタイム情報の配信を容易にする可能性があります。