Catalisi e analisi complementari all'interno di reattori a microflusso metallico fabbricati in modo additivo a stato solido

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 5121 (2022) Citare questo articolo

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La produzione additiva sta trasformando il modo in cui ricercatori e industriali cercano di progettare e produrre dispositivi chimici per soddisfare le loro esigenze specifiche. In questo lavoro, riportiamo il primo esempio di un reattore a flusso formato tramite la tecnica di laminazione di lamiere allo stato solido, Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM), con sezioni catalitiche ed elementi sensori direttamente integrati. La tecnologia UAM non solo supera molte delle attuali limitazioni associate alla produzione additiva di materiali per reazioni chimiche, ma aumenta anche significativamente la funzionalità di tali dispositivi. Una gamma di composti 1, 2, 3-triazolici biologicamente importanti 1, 4-disostituiti è stata sintetizzata con successo e ottimizzata nel flusso in entrata attraverso una cicloaddizione Huisgen 1, 3-dipolare mediata da Cu utilizzando il dispositivo chimico UAM. Sfruttando le proprietà uniche dell'UAM e dell'elaborazione a flusso continuo, il dispositivo è stato in grado di catalizzare le reazioni in corso fornendo allo stesso tempo un feedback in tempo reale per il monitoraggio e l'ottimizzazione della reazione.

Come risultato dei suoi notevoli vantaggi rispetto alla sua controparte batch, la chimica a flusso è un campo significativo e in crescita sia in ambito accademico che industriale grazie alla sua capacità di migliorare la selettività e l’efficienza della sintesi chimica. Ciò si estende dalla semplice formazione di molecole organiche1, ai composti farmaceutici2,3 e ai prodotti naturali4,5,6. Oltre il 50% delle reazioni dei settori della chimica fine e farmaceutica potrebbero trarre vantaggio dall'adozione del trattamento a flusso continuo7.

Negli ultimi anni è emersa una tendenza crescente in cui i gruppi hanno cercato di sostituire la vetreria tradizionale o le apparecchiature per chimica a flusso a favore di "articoli di reazione" chimici personalizzabili e prodotti con la produzione additiva (AM)8. La progettazione iterativa, la produzione rapida e le capacità tridimensionali (3D) di queste tecnologie sono estremamente vantaggiose per coloro che desiderano adattare il proprio dispositivo a un particolare insieme di reazioni, apparecchiature o condizioni. Ad oggi, questo lavoro si è concentrato quasi esclusivamente sull’uso di tecniche di stampa 3D basate su polimeri come la stereolitografia (SL)9,10,11, la modellazione a deposizione fusa (FDM)8,12,13,14 e la stampa a getto d’inchiostro7,15. 16. Tali dispositivi mancano di robustezza e della capacità di eseguire un’ampia gamma di reazioni/analisi chimiche17,18,19,20, il che è stato un importante fattore limitante nella maggiore implementazione dell’AM in quest’area17,18,19,20.

Come risultato del crescente utilizzo della chimica a flusso e delle proprietà vantaggiose associate all’AM, è opportuno esplorare tecnologie più avanzate che consentano all’utente di produrre articoli con reazione a flusso con maggiore funzionalità chimica e analitica. Queste tecniche dovrebbero consentire all'utente di scegliere tra una gamma di materiali altamente robusti o funzionali in grado di gestire un'ampia gamma di condizioni di reazione facilitando al tempo stesso varie forme di output analitico dal dispositivo per consentire il monitoraggio e il controllo della reazione.

Un processo AM con il potenziale per sviluppare materiali per reazioni chimiche su misura è la produzione additiva a ultrasuoni (UAM). Questa tecnologia di laminazione dei fogli allo stato solido applica oscillazioni ultrasoniche a sottili lamine metalliche per unirle insieme, strato dopo strato, con un riscaldamento minimo della massa ed elevati livelli di flusso plastico21,22,23. A differenza della maggior parte delle altre tecniche AM, l'UAM può integrarsi direttamente con la produzione sottrattiva, definita processo di produzione ibrido, in cui la fresatura periodica a controllo numerico computerizzato (CNC) in situ o l'elaborazione laser definisce la forma netta degli strati di materiale incollati24,25. Ciò significa che l'utente non è limitato dai problemi associati alla rimozione dei materiali di costruzione residui non lavorati da piccoli percorsi fluidici, come spesso accade con i sistemi AM in polvere e liquidi26,27,28. Questa libertà di progettazione si estende anche alla scelta dei materiali disponibili: UAM può unire combinazioni di materiali termicamente simili e dissimili in un'unica fase del processo. Le scelte di combinazioni di materiali oltre a quelle dei processi di fusione consentono di soddisfare meglio le esigenze meccaniche e chimiche di una particolare applicazione. Oltre all'incollaggio allo stato solido, un ulteriore fenomeno riscontrato durante l'incollaggio a ultrasuoni è un elevato grado di flusso di materiale plastico a temperature relativamente basse29,30,31,32,33. Questa caratteristica unica dell'UAM può facilitare l'inserimento di elementi meccanicamente/termicamente sensibili tra gli strati metallici senza danni. I sensori integrati UAM potrebbero facilitare la fornitura di informazioni in tempo reale dal dispositivo all'utente tramite analisi integrate.