دستگاه بی سیم و با انرژی نور دری را به روی الکتروسنتز با توان عملیاتی بالا باز می کند | تحقیق کنید

دستگاه‌های کوچک با انرژی نور می‌توانند الکتروسنتز بی‌سیم با توان بالا را در مقیاس میکرولیتری فعال کنند. محققانی که آنها را طراحی کردند امیدوارند که دستگاه های ارزان قیمت مانع استفاده گسترده از الکتروشیمی در شیمی آلی را کاهش دهند.

الکتروشیمی که برای اولین بار به عنوان ابزاری برای سنتز شیمیایی در اوایل قرن نوزدهم معرفی شد، به لطف عواملی که شامل تمایل به اجتناب از معرف‌های سمی، خطرناک و گران قیمت است، در اینجا دوباره مورد توجه قرار گرفته است. با این حال، پیچیدگی واکنش، استفاده گسترده از آن را در جامعه وسیع‌تر شیمی آلی محدود کرده است، به‌ویژه وقتی صحبت از آزمایش‌های با توان بالا می‌شود، که برای توسعه سریع واکنش‌ها، به ویژه در صنعت داروسازی، حیاتی شده است.

سونگ لین از دانشگاه کرنل در نیویورک، یکی از محققان این مطالعه، توضیح می دهد: «شما باید تمام الکترودها را به یک منبع برق متصل کنید. اگر پنج واکنش را اجرا کنید خوب است، اما اگر 384 واکنش را اجرا کنید، که استاندارد HTE است. [high-throughput electrosynthesis] در صنعت، برای اتصال به منابع برق به 768 الکترود و سیم نیاز دارید و این عملی نیست.

در یک تلاش مشترک بین گروه شیمی آلی لین و آزمایشگاه فیزیک پل مک یوون، هر دو در کرنل، محققان تصمیم گرفتند دستگاهی همه‌جانبه برای الکتروشیمی بسازند که منبع انرژی مناسبی داشته باشد و مقیاس آن برای آزمایش‌هایی با بهره‌وری بالا آسان باشد. .

این تیم با الهام از سلول های خورشیدی، دستگاه های میکروالکترونیکی به نام فوتوالکترونیک های کوچک را برای سنتز الکتروشیمیایی (Specs) توسعه دادند که تنها با نور مرئی تغذیه می شوند و هر صفحه سنتی 96 چاهی یا 384 چاهی را به یک راکتور الکتروشیمیایی تبدیل می کنند. این دستگاه‌ها که با روش‌های استاندارد تولید ارزان‌قیمت تولید می‌شوند، شامل فوتودیودهایی هستند که به صورت سری روی یک ویفر سیلیکونی متصل شده‌اند و دو الکترود داخلی برای تکمیل مدار دارند. مانند یک سلول خورشیدی، هنگامی که در معرض نور قرار می گیرد، نور جذب شده و به جریان الکتریکی تبدیل می شود که متناسب با شدت نور و اندازه دیودهای نوری است. Lin توضیح می‌دهد: «در اصل، اگر می‌خواهید آزمایش‌های الکتروشیمیایی با توان بالا انجام دهید، فقط باید دستگاه مشخصات ما را بخرید، هر چیز دیگری باید از قبل به صورت تجاری در دسترس باشد.»

برای نشان دادن انعطاف‌پذیری دستگاه‌ها، تیم تحقیقاتی مجموعه‌ای از آزمایش‌ها را انجام دادند. اولین واکنش یک واکنش بود – برم کردن ساده – که آنها می‌دانستند برای اطمینان از اینکه می‌توانند دستگاه‌ها را کالیبره کرده و از استحکام آن‌ها مطمئن شوند، به خوبی کار می‌کند. آنها سپس دستگاه ها را با واکنش های چالش برانگیز دیگر منتشر شده در ادبیات، از جمله فرآیندهای اکسیداتیو، تقلیل دهنده و اکسیداتیو خنثی تأیید کردند. لین می گوید: ما فقط می خواستیم تمام روش های الکتروشیمی را امتحان کنیم تا مطمئن شویم مشخصات ما با انواع مختلف واکنش های الکتروشیمیایی سازگار است.

آنها سپس بررسی کردند که آیا می‌توانند از این مشخصات برای فعال کردن شیمی جدید با سنتز کتابخانه‌ای از 96 ترکیب مرتبط با شیمی دارویی استفاده کنند. لین می افزاید: «اگر در حال کشف دارو هستید، می خواهید بتوانید کتابخانه های ترکیبی بزرگی بسازید و غربالگری بیولوژیکی را با آن ترکیبات جدید انجام دهید.

در نهایت، آنها از مشخصات برای توسعه دو واکنش جدید استفاده کردند که در ادبیات ثبت نشده است. اولی با اصلاح یک واکنش اکسیداسیون شونو (که معمولاً برای تشکیل پیوندهای کربن-اکسیژن استفاده می شود) پیوندهای کربن-نیتروژن ایجاد می کند و دومی برای تولید ترکیبات حاوی گوگرد-نیتروژن به نام سولفیلیمین ها که دائماً در شیمی دارویی توجه را به خود جلب می کند.

شاگرد من توانست فقط سه صفحه 96 چاهی را اجرا کند و به من گفت که در عرض هشت روز کاری قادر به تشخیص کامل این واکنش بوده است که پیشرفت بسیار خوبی است. لین می‌گوید: «معمولاً احتمالاً باید حداقل برای چند ماه اکتشافاتی انجام دهید.

این فضا را تماشا کنید

محققان انتظار دارند که با ساده کردن نحوه تنظیم واکنش های الکتروشیمیایی، Specs می تواند مانع استفاده گسترده از الکتروشیمی در شیمی آلی را کاهش دهد. آنها اکنون در حال تجاری سازی Specs هستند تا آن را در دسترس جامعه عمومی شیمی آلی قرار دهند، امیدوارم در اواخر امسال.

شلی مینتیر، استاد شیمی و مدیر مرکز پایداری منابع موسسه کومر در دانشگاه علم و فناوری میسوری در ایالات متحده می‌گوید. دنیای شیمی او در مورد این کار “واقعا هیجان زده” است. او توضیح می دهد: “در اصل استفاده از نور برای راندن چیزی به صورت بی سیم است، که واقعا راه حلی مبتکرانه و خلاقانه برای این مشکل سیم کشی وحشتناکی است که ما در الکتروشیمی داریم.”

با این حال، او می گوید که تیم کورنل به طور بالقوه بسیار محدود کننده است و می گوید این دستگاه مانع استفاده گسترده از الکتروشیمی و شیمی آلی را کاهش می دهد. Minteer می افزاید: “من فکر می کنم برای مناطق خارج از شیمی آلی که می خواهند از الکتروشیمی استفاده کنند مفید باشد.” چه کاربردهای حسی باشد و چه کاربردهای انرژی، فکر می‌کنم فراتر از شیمی آلی برای مردم باز خواهد شد.