Bu projenin arkasındaki motivasyon, mühendisler ve bilim insanları olarak günlük çalışmalarımızda sürekli karşılaştığımız çok genel bir sorudan kaynaklanmaktadır. Eklemeli üretim (AM), benzeri görülmemiş bir tasarım özgürlüğü sunuyor ancak aynı zamanda temel bir zorluğu da beraberinde getiriyor: Belirli bir süreç veya görev için hangi tasarımın en uygun olduğuna nasıl karar vereceğiz? Bizim durumumuzda, hem akademide hem de endüstride kimya ve kimya mühendisliği uygulamalarına yönelik yeni nesil yapılandırılmış cihazları keşfetmeyi, tasarlamayı ve üretmeyi hedefliyoruz.
Sürekli akış kimyası için yapılandırılmış reaktörlerin tasarımını keşfetmeye başladığımızda, ızgaralar gibi periyodik yapılar (https://doi.org/10.1039/D1GC04593H) – Green Chem, 2022), sarmal tasarımlar (https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104304 – Eklemeli Üretim, 2024) veya gyroid tabanlı geometriler doğal olarak başlangıç noktalarımız oldu. Özellikle, jiroskoplar yüksek yüzey alanı ve kıvrımlılık sunar; bu da matematiksel açıdan zarif karmaşıklığıyla birleştiğinde performans optimizasyonu için ideal bir çözüm olarak ortaya çıkmalarını sağlar.
Ama çok geçmeden şunu merak etmeye başladık:
Jiroid gerçekten her reaksiyon için en iyi geometri midir?
Yoksa her mekanizma, faz rejimi veya kinetik yol için optimal olup olmadığını bilmeden varsayılan bir topolojiye mi güveniyorduk?
Bu soru daha geniş bir fikrin kıvılcımını ateşledi:
eğer çok sayıda geometri üretebilseydik, bunları hızlı bir şekilde üretebilseydik, otomatik olarak değerlendirebilseydik ve ortaya çıkan verilerden öğrenebilseydik…
Her spesifik reaksiyona “özelleştirilmiş” bir reaktör tasarlayabilir miyiz?
Matematiksel geometri üretimini, 3D yazdırmayı ve makine öğrenimine dayalı optimizasyonu birleştiren bir platform olan Reac-Discovery böyle doğdu.
BASİT BİR ŞEKİLDE REAC-DISCOVERY NEDİR?
Reac-Discovery üç modül üzerine kurulmuştur:
- Reac-Gen
Reac-Gen, grubumuz tarafından POC (Periyodik Açık Hücre) yapıları oluşturmak için geliştirilmiş bir yazılım aracıdır. Milyonlarca olası yapısal varyasyonun araştırılmasına olanak tanıyan, her biri örtülü denklemlerle tanımlanan ve tamamen parametrelendirilebilen 20 farklı geometri ailesinden oluşan bir kütüphane etrafında inşa edilmiştir. Ayrıca yazılım, kıvrımlılık, yüzey alanı, serbest hacim ve gözeneklilik dahil olmak üzere temel geometrik tanımlayıcıları hesaplar.
2. Reac-Fab
Reac-Fab, grubumuz tarafından geliştirilen MSLA (Maskeli Stereolitografi) ve akrilat bazlı ışıkla kürlenebilir reçineler kullanarak dijital geometrileri fiziksel reaktörlere dönüştürür.
Bir sinir ağı, her yapının üretimden önce yazdırılabilir olup olmayacağını tahmin eder. Bu, diğer AM tekniklerine genişletilebilir.
3. Reac-Eval
Reac-Eval, sıcaklık, basınç, sıvı ve gaz akış hızları ve konsantrasyonlar gibi proses parametrelerini otonom olarak kontrol eden, otonom bir laboratuvar platformudur. Hat içi verileri analiz edip kaydeder, birden fazla yapıyı değerlendirir ve geometri, süreç koşulları ve performansı ilişkilendiren modelleri eğitir.
Prensip olarak bu platform, daha önce mümkün olmayan bir şekilde hem proses koşullarını hem de reaktör geometrisini aynı anda optimize edebilir. Reac-Discovery'nin platform aracılığıyla işlenen farklı kimyalara özel bir yanıt sunacağını varsaydık ve bu, iki farklı reaksiyonla doğrulandı: asetofenon hidrojenasyonu ve CO₂ siklo eklenmesi. Reac-Discovery, optimizasyonun ardından her durum için özelleştirilmiş bir yapı belirledi. Üstelik bu yaklaşım, hareketsizleştirilmiş katalizörlerle üç fazlı koşullar altında rapor edilen en yüksek değer olan 803 g L⁻¹ h⁻¹ rekor uzay-zaman verimine (STY) ulaşmamızı sağladı.
NEDEN ANİMASYON?
Deneysel sonuçların ötesinde platformun tüm özünü aktarmak istedik:
Deneysel verilerin modelleri beslediği, modellerin geometriler oluşturduğu, 3D baskının bunları hayata geçirdiği ve moleküllerin sonuçta her reaksiyon için özel olarak tasarlanmış reaktörler boyunca ilerlediği sürekli bir akış.
Hiçbir geleneksel teknik şema bilgi, tasarım ve üretim arasındaki bu etkileşimi yakalayamaz. Bu nedenle, projenin tüm öyküsünü bir bakışta aktarabilecek, animasyon yoluyla hayata geçirilen kavramsal bir dijital illüstrasyon geliştirmeyi seçtik.
GÖRSEL ANLATIN ARKASINDAKİ ANLAM
Animasyon, yeni ortaya çıkan bilimsel illüstratör Carmita Salgado (https://cvsstudios.art/) tarafından oluşturuldu ve tüm Reac-Discovery sürecinin görsel bir sentezi haline geldi.
A. Merkezdeki yapılandırılmış reaktör
Merkezi eleman, Reac-Gen ile üretilen bir POC reaktörüdür. Periyodik boşlukları, taşıma olayını optimize etmek için kullandığımız matematiksel geometrileri çağrıştırıyor. Başlangıç noktamızı temsil ediyor: Denklemleri işlevsel geometrilere dönüştürmek.
B. Sayı ve sembol yağmuru
Bu “yağmur”, Reac-Eval tarafından üretilen, korelasyonları öğrenmekten ve yeni tasarımlar önermekten sorumlu sinir ağını besleyen özelliklere ve hedeflere dönüştürülen deneysel verileri simgeliyor.
Anahtar ayrıntı:
sayılar “Reac-Discovery” yazan 8 bitlik ikili kodlara karşılık gelir.
Bilginin tasarıma nasıl dönüştüğünü gösteren doğrudan bir metafor. Örneğin, düşen rakamlar arasında 01010010 (“R”) ve 01100101 (“e”) görünüyor ve “Reac-Discovery” kelimesini zarif bir şekilde kodluyor.
C. Reaktörün altındaki sinir ağları
İç içe geçmiş çizgiler, gerçek reaksiyon verileriyle eğitilmiş YSA'ları temsil eder.
Bu ağlar:
- Geometri, koşullar ve performans arasındaki ilişkileri öğrenin
- insan sezgisinin göremediği kalıpları tanımlamak
- ve her hedef reaksiyona göre uyarlanmış reaktör mimarileri oluşturun
Onlar platformun bilişsel motorudur.
D. Reaktörde dolaşan moleküller
CO₂ ve epiklorohidrin bir taraftan girerken, diğer taraftan siklik karbonat çıkar.
Bu, vaka çalışmalarımızdan birinin moleküler yolculuğunu temsil ediyor ve Reac-Discovery'nin soyutlama yerine gerçek kimyasal sistemler için geometriler tasarladığını güçlendiriyor.
E. Işıkla sertleştirilebilir reçine ve aşağıdaki UV ışığı
Altta, reaktör geometrisinin fiziksel olarak oluşturulduğu, akrilat bazlı ışıkla sertleştirilebilir reçineden (grubumuz tarafından geliştirilen) oluşan bir havuz bulunur. Parlak ışık, yapıyı katman katman iyileştiren bir MSLA yazıcının UV projektörünü temsil ediyor.
Reaktör tam olarak MSLA'da basıldığı gibi baş aşağı görünüyor.
Bu unsur sadece tasarımı değil aynı zamanda fiziksel üretim eylemini de vurguluyor.
F. Eksiksiz görsel anlatım
Dikey kompozisyon, projenin tüm iş akışını anlatıyor: dijitalleştirilmiş deneysel veriler, hem proses parametrelerinin hem de reaktör topolojisinin tasarımını ve optimizasyonunu mümkün kılan sinir ağlarını besliyor. Reaktör daha sonra MSLA yoluyla her hedef reaksiyona özel olarak uyarlanmış fonksiyonel bir katı olarak materyalize edildi.
Çizimde, moleküllerin reaktör boyunca yukarı akış yolculuğunu ve reaktörden geçerken dönüşümlerini görebilir, Reac-Discovery'nin herhangi bir reaksiyonun davranışını nasıl modelleyebildiğini ve sistemin küresel optimizasyonunu nasıl yönlendirebildiğini görebilirsiniz.
Görüntü, izleyicinin denklemlere veya teknik planlara başvurmadan projenin özünü kavramasına olanak tanır. Verilerin, matematiğin, 3 boyutlu baskının ve katalizin tutarlı bir akışa nasıl entegre edildiğini gösterir. Tam olarak Reac-Discovery'nin özü olan, dijital ve maddi dünyalar arasında bir köprü görevi görür.
SONRA NE GELİYOR?
Reac-Discovery daha yeni başlıyor.
Vizyonumuz, platformu bu ilk örnek olay incelemelerinin ötesine taşımak, yeni malzemeleri dahil etmek, daha karmaşık geometrileri keşfetmek ve reaktörlerin sezgilerle değil kanıt, veri ve makine öğrenimiyle tasarlandığı bir geleceğe kapıyı açmaktır.
Ayrıca bu metodolojinin, pahalı altyapıya sahip olmayanlar da dahil olmak üzere diğer laboratuvarlara, erişilebilir dijital tasarım ve katmanlı üretim yoluyla yüksek performanslı çözümler üretme konusunda güç vereceğini öngörüyoruz.
Kimyanın geleceği özerk, tekrarlanabilir ve veri odaklı ise bu çalışma bu yönde küçük ama anlamlı bir adımı temsil ediyor.
TEŞEKKÜRLER
Bu projeyi mümkün kılan herkese teşekkür etmek istiyorum:
ortak yazarlarım Profesör Víctor Sans ve çizimleri yalnızca makaleye eşlik etmekle kalmayıp onu güçlendirerek onu daha insani, erişilebilir ve görsel olarak akılda kalıcı hale getiren Carmita Salgado (https://cvsstudios.art/) tarafından yönetilen ekibim.
Onlarla çalışmak bir ayrıcalıktı.
Yazan: Cristopher Tinajero ve Victor Sans
Bir yanıt yazın