고체 적층 제조 금속 미세 흐름 반응기 내에서 보완적인 촉매 작용 및 분석

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 5121(2022) 이 기사 인용

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적층 제조는 연구원과 산업계가 특정 요구 사항을 충족하기 위해 화학 장치를 설계하고 제조하는 방식을 변화시키고 있습니다. 이 연구에서 우리는 직접 통합된 촉매 섹션과 감지 요소를 갖춘 고체 금속 시트 적층 기술인 초음파 적층 제조(UAM)를 통해 형성된 흐름 반응기의 첫 번째 예를 보고합니다. UAM 기술은 화학 반응웨어의 적층 제조와 관련된 현재의 많은 한계를 극복할 뿐만 아니라 이러한 장치의 기능을 크게 향상시킵니다. 생물학적으로 중요한 다양한 1,4-이치환 1,2,3-트리아졸 화합물은 UAM 화학 장치를 사용하여 Cu 매개 Huisgen 1,3-이극성 고리화 첨가를 통해 성공적으로 합성되고 흐름 내에서 최적화되었습니다. UAM의 고유한 특성과 연속 흐름 처리를 활용함으로써 장치는 진행 중인 반응을 촉매하는 동시에 반응 모니터링 및 최적화를 위한 실시간 피드백을 제공할 수 있었습니다.

배치 화학에 비해 눈에 띄는 장점이 있는 유동 화학은 화학 합성의 선택성과 효율성을 향상시키는 능력으로 인해 학술 및 산업 환경 모두에서 중요하고 성장하는 분야입니다. 이는 단순한 유기 분자 형성1부터 제약 화합물2,3 및 천연 제품4,5,6까지 확장됩니다. 정밀 화학 및 제약 부문의 반응 중 50% 이상이 연속 흐름 처리를 채택함으로써 이익을 얻을 수 있습니다7.

최근 몇 년 동안 그룹에서는 맞춤형 적층 제조(AM) 화학물질 '반응웨어'를 선호하여 전통적인 유리 제품이나 유동 화학 장비를 대체하려는 경향이 증가하고 있습니다8. 이러한 기술의 반복적 설계, 신속한 생산 및 3차원(3D) 기능은 장치를 특정 반응, 장비 또는 조건 세트에 맞게 조정하려는 사람들에게 매우 유용합니다. 현재까지 이 작업은 SL(Stereolithography)9,10,11, FDM(Fused Deposition Modeling)8,12,13,14 및 잉크젯 프린팅7,15과 같은 폴리머 기반 3D 프린팅 기술의 사용에만 거의 전적으로 집중해 왔습니다. 16. 이러한 장치는 견고성과 광범위한 화학 반응/분석을 수행할 수 있는 능력이 부족하며, 이는 이 영역에서 AM을 더 많이 구현하는 데 주요 제한 요소였습니다.

유동 화학의 사용 증가와 AM과 관련된 유리한 특성으로 인해 사용자가 향상된 화학적 및 분석 기능을 갖춘 유동 반응 제품을 제조할 수 있도록 하는 고급 기술을 탐색하는 것이 적절합니다. 이러한 기술을 통해 사용자는 광범위한 반응 조건을 처리할 수 있는 매우 견고하거나 기능적인 다양한 재료 중에서 선택할 수 있으며 동시에 장치에서 다양한 분석 출력 형태를 촉진하여 반응 모니터링 및 제어가 가능해야 합니다.

맞춤형 화학 반응웨어를 개발할 가능성이 있는 AM 프로세스 중 하나는 UAM(초음파 적층 제조)입니다. 이 고체 시트 적층 기술은 얇은 금속 호일에 초음파 진동을 적용하여 최소한의 벌크 가열과 높은 수준의 플라스틱 흐름을 사용하여 층별로 결합합니다. 대부분의 다른 AM 기술과 달리 UAM은 하이브리드 제조 공정이라고 불리는 절삭 가공과 직접 통합할 수 있으며, 이 공정에서는 현장 주기적인 컴퓨터 수치 제어(CNC) 밀링 또는 레이저 가공이 결합된 재료 층24,25의 순 모양을 정의합니다. 이는 분말 및 액체 AM 시스템의 경우처럼 작은 유체 경로에서 처리되지 않은 잔여 제작 재료를 제거하는 것과 관련된 문제로 인해 사용자가 제한을 받지 않는다는 것을 의미합니다. 이러한 설계의 자유는 사용 가능한 재료 선택에도 확장됩니다. UAM은 단일 공정 단계에서 열적으로 유사하거나 유사하지 않은 재료 조합을 결합할 수 있습니다. 용융 공정 이상의 재료 조합 ​​선택은 특정 응용 분야의 기계적, 화학적 요구 사항을 더 잘 충족할 수 있음을 의미합니다. 고체 결합 외에도 초음파 결합 중에 발생하는 추가 현상은 상대적으로 낮은 온도에서 높은 수준의 플라스틱 재료 흐름입니다. UAM의 이러한 고유한 기능은 손상 없이 금속층 사이에 기계적/열적으로 민감한 요소를 삽입하는 것을 용이하게 합니다. UAM 내장 센서는 통합 분석을 통해 장치에서 사용자에게 실시간 정보 전달을 용이하게 할 수 있습니다.