Catalyse et analyse complémentaires dans des réacteurs à micro-flux métalliques fabriqués de manière additive à l'état solide

Aug 30, 2023

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 5121 (2022) Citer cet article

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La fabrication additive transforme la façon dont les chercheurs et les industriels envisagent de concevoir et de fabriquer des dispositifs chimiques pour répondre à leurs besoins spécifiques. Dans ce travail, nous rapportons le premier exemple d'un réacteur à écoulement formé via la technique de stratification de tôles à l'état solide, la fabrication additive par ultrasons (UAM), avec des sections catalytiques et des éléments de détection directement intégrés. La technologie UAM surmonte non seulement bon nombre des limitations actuelles associées à la fabrication additive de matériel de réaction chimique, mais elle augmente également considérablement la fonctionnalité de ces dispositifs. Une gamme de composés 1, 4-disubstitués 1, 2, 3-triazole biologiquement importants ont été synthétisés avec succès et optimisés en flux entrant à travers une cycloaddition Huisgen 1, 3-dipolaire médiée par Cu à l'aide du dispositif chimique UAM. En exploitant les propriétés uniques de l'UAM et du traitement en flux continu, l'appareil a pu catalyser les réactions en cours tout en fournissant également un retour d'information en temps réel pour la surveillance et l'optimisation des réactions.

En raison de ses avantages notables par rapport à son homologue par lots, la chimie en flux est un domaine important et en pleine croissance dans les milieux universitaires et industriels en raison de sa capacité à améliorer la sélectivité et l'efficacité de la synthèse chimique. Cela s'étend de la simple formation de molécules organiques1 aux composés pharmaceutiques2,3 et aux produits naturels4,5,6. Plus de 50 % des réactions des secteurs de la chimie fine et de la pharmacie pourraient bénéficier de l'adoption du traitement en flux continu7.

Ces dernières années, une tendance croissante est apparue selon laquelle des groupes cherchent à remplacer la verrerie traditionnelle ou les équipements de chimie en flux au profit de « matériels de réaction » chimiques personnalisables, fabriqués de manière additive (FA). La conception itérative, la production rapide et les capacités tridimensionnelles (3D) de ces technologies sont très bénéfiques pour ceux qui cherchent à adapter leur dispositif à un ensemble particulier de réactions, d'équipements ou de conditions. À ce jour, ces travaux se sont concentrés presque exclusivement sur l'utilisation de techniques d'impression 3D à base de polymères telles que la stéréolithographie (SL)9,10,11, la modélisation par dépôt fondu (FDM)8,12,13,14 et l'impression à jet d'encre7,15, 16. De tels dispositifs manquent de robustesse et de capacité à effectuer un large éventail de réactions/analyses chimiques17,18,19,20, ce qui constitue un facteur limitant majeur dans la mise en œuvre plus large de la fabrication additive dans ce domaine17,18,19,20.

En raison de l’utilisation croissante de la chimie en flux et des propriétés avantageuses associées à la fabrication additive, il est pertinent d’explorer des technologies plus avancées qui permettent à l’utilisateur de fabriquer des appareils à réaction en flux dotés de fonctionnalités chimiques et analytiques accrues. Ces techniques devraient permettre à un utilisateur de choisir parmi une gamme de matériaux hautement robustes ou fonctionnels capables de gérer un large éventail de conditions de réaction tout en facilitant également diverses formes de sortie analytique du dispositif pour permettre la surveillance et le contrôle de la réaction.

La fabrication additive par ultrasons (UAM) est un procédé de FA ayant le potentiel de développer des réactifs chimiques sur mesure. Cette technologie de laminage de feuilles à l'état solide applique des oscillations ultrasoniques à de fines feuilles métalliques afin de les assembler, couche par couche, avec un chauffage minimal et des degrés élevés d'écoulement du plastique21,22,23. Contrairement à la plupart des autres techniques de fabrication additive, l'UAM peut s'intégrer directement à la fabrication soustractive, appelée processus de fabrication hybride, dans lequel un fraisage périodique in situ à commande numérique par ordinateur (CNC) ou un traitement laser définit la forme nette des couches de matériau lié. Cela signifie que l'utilisateur n'est pas limité par les problèmes liés à l'élimination des matériaux de construction résiduels non traités des petits chemins fluidiques, comme c'est souvent le cas avec les systèmes de FA en poudre et en liquide26,27,28. Cette liberté de conception s'étend également aux choix de matériaux disponibles : l'UAM peut lier des combinaisons de matériaux thermiquement similaires et différentes en une seule étape de processus. Les choix de combinaisons de matériaux au-delà de ceux des procédés de fusion permettent de mieux répondre aux besoins mécaniques et chimiques d'une application particulière. En plus de la liaison à l'état solide, un phénomène supplémentaire rencontré lors de la liaison par ultrasons est un degré élevé d'écoulement de la matière plastique à une température relativement basse29,30,31,32,33. Cette caractéristique unique de l'UAM peut faciliter l'intégration d'éléments mécaniquement/thermiquement sensibles entre les couches métalliques sans dommage. Les capteurs intégrés UAM pourraient faciliter la transmission d’informations en temps réel de l’appareil à l’utilisateur via des analyses intégrées.