近日，墨格微流科技有限公司团队在《化工学报》（CIESC Journal）“纪念袁权先生诞辰90周年专刊”中，发表题为“超声微反应器系统的放大及其在纳米材料制备中的应用”（Scale-up of ultrasonic microreactor systems and their applications in the preparation of nanomaterials）的论文。该论文深入探讨了通过将超声波技术与微反应器系统巧妙融合，成功克服了传统微反应器面临的固体颗粒堵塞、操作灵活性不足以及放大技术瓶颈等挑战，使超声微反应器有望成为新一代微反应器技术。墨格微流科技有限公司创始人董正亚博士为该论文的第一作者和通讯作者。
作者引言：
在学术探索的浩瀚星空中，每一位杰出的学者都如同璀璨星辰，以其深邃的思想与不懈的追求照亮着后来者的道路。值此纪念我敬爱的导师——袁权院士的专刊出版之际，我满怀敬意与感激之情，我将多年间在导师卓越引领与悉心指导下的科研成果精心汇聚成此篇文章，以表达我对导师无尽的敬仰与怀念。袁权院士，不仅是我学术生涯中的引路人，更是我人生道路上的一盏明灯。他以其卓越的学术成就、严谨的治学态度、以及对学生无微不至的关怀，深深地影响并塑造了我。在袁院士的悉心指导下，我得以窥见科学殿堂的奥秘，领略到科研工作的魅力与艰辛，更学会了如何在挑战中寻找机遇，在困境中坚持信念。1.阐释了利用超声微反应器系统放大的核心关键、原理与策略。
2.汇总了超声微反应器系统的放大及其应用于纳米材料制备的进展与挑战。
3.提出了超声微反应器在纳米材料尺寸及分布控制方面的新见解。
文章系统地介绍了超声微反应器的结构组成、工作原理以及其在纳米材料制备中的应用。超声微反应器通过结合超声波技术和微反应器，解决了常规微反应器易堵塞、操作弹性欠佳、放大困难等问题，被认为是新一代微反应器技术的代表。文章详细探讨了超声微反应器系统的放大策略，包括超声波电源放大、反应器辐射面放大、微通道尺寸放大等方面，并重点介绍了其在纳米材料合成中的应用，尤其是反应成核生长控制、分子自组装控制、乳液及界面限域控制三种纳米材料合成类型的详细过程。超声微反应器在控制纳米材料尺寸形貌均一性方面展现出巨大优势，为纳米材料的可控宏量制备提供了新途径，具有重要的科学价值和应用前景。
图1 超声微反应器系统的组成与实物图
文章对超声微反应器的结构组成以及各组成部件之间的谐振匹配进行了系统介绍，并对超声波电源、反应器辐射面和微通道尺寸三个部分的结构设计和放大策略进行讨论。在超声波电源的设计与放大方面，通过精巧的电路设计实现负载变化的实时跟踪及工作频率调控，同时辅以结构设计以满足安全性与热管理的需求。在反应器幅射面放大与结构设计方面，其核心是如何增大换能器辐射声场的辐射面积，使超声波均匀高效的传播到大体积微反应器中。一方面，通过增加超声波换能器的数量，将多个换能器辐射的声场叠加，从而使更大体积的微反应器受到超声辐射。另一方面，通过对应超声波波长来设计，较大的波长将对应更大的工具头辐射面，反应器的变幅杆和工具头都采用钛合金材质，以利于超声波的高效传导。毛细管微反应器可采用超声传导能力较好的玻璃、不锈钢材质，管径2－6 mm，长度可达4－10 m。最后，针对微通道的尺寸放大及空化过程的调控，微反应器通道变大后，空化模式和混合传质性能会显著变化，表现出尺寸放大效应。如何控制气泡空化行为，确定同等混合性能的微通道临界尺寸，是避免出现放大效应的关键问题。而气泡的空化行为与微通道尺寸、超声频率、功率以及流速等参数匹配相关，达到同等混合性能上，实现小试到中试的无级放大。进一步采用数量放大的方式，采用微结构单元串并联集成扩大处理能力，有效避免“逐级放大”带来的放大效应，保证大规模生产的工况与实验室条件基本一致，实现研发成果的快速产业化。
图2 圆柱体变幅杆与夹心式换能器构成的振动系统，尺寸放大策略
文章最后重点介绍了超声微反应器在纳米材料合成领域的应用，并根据合成过程的机理将其分为反应成核生长控制、分子自组装控制、乳液及界面限域控制三种纳米材料合成类型。超声微反应器在控制纳米材料尺寸形貌均一性方面展现了巨大的优势。墨格公司已经开发了标准化的小试、中试和工业级的超声微反应器产品，并成功应用于化妆品用纳米乳液和各种粉体纳米材料的工业生产。超声微反应器技术利用声空化和声射流在微管路内的集中作用，可实现初始反应物的高效传质混合。在成核阶段恰当地引入超声，可大幅缩短反应物间的混合时间，几乎消除常规扩散混合存在的局部浓度梯度，使成核在瞬间大量发生并使未消耗反应物浓度迅速下降到成核浓度阈值之下，有效避免二次或多次成核导致的产物不均一情况（图3）。
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图3 微通道中反应成核生长过程示意图(a)扩散混合模式下的成核生长；(b)超声强化传质模式下的成核生长。
墨格团队改进了超声微反应器合成SiO2微球的方法，仅在反应初始阶段引入超声以获得均一的初始成核及均匀的反应物分布，之后让SiO2在稳定均匀的生长环境中持续生长，通过调控反应物浓度、生长时间等参数获得了粒径在100－800 nm可精确调控的单分散SiO2微球（PDI < 0.05或CV < 10%，图4）在此基础上，进一步开发了用于体外诊断的纳米磁性微球，首先利用超声微反应器技术以共沉淀法合成了粒径均一的单分散Fe3O4磁性颗粒，再对磁性颗粒进行表面硅基修饰及多层包覆，最终获得以羧基或氨基修饰的粒径在300 nm左右的磁性微球，并实现了公斤级生产线的搭建。
图4 二氧化硅微球扫描电子显微镜照片
(a)平均粒径155 nm，CV值6.77%；(b)平均粒径300 nm，CV值4.33%；(c)平均粒径409 nm，CV值6.90%；(d)平均粒径550 nm，CV值5.87%；(e)平均粒径730 nm，CV值4.17%；(f)平均粒径840 nm，CV值4.05%
超声微反应器可以有效地解决微反应器在分子自组装控制的脂质纳米粒合成中存在的颗粒污染，颗粒引起的管道堵塞，颗粒分布不均匀，可重复性和适用性差等问题。最近，我们制造了两种不同结构的超声微反应器，发现对撞型的超声微反应器在降低脂质体的单分散性和改善脂质体的粒径调控区域方面优于同轴的超声微反应器，如图5所示。超声在强化流体混合机制上，低流速下能强化混合降低粒径，而高流速下，降低管壁残留提高尺寸均一性。此外，该微通道的低压降和无被动混合结构，制备单分散脂质体产量可达到108 g/h。另外，该技术同时也适用于剪切敏感的原辅料，在微管道内超声停留时间短，超声强度适中，可以使mRNA保持较高的完整度，为今后脂质体装载mRNA的工业化生产提供了理论基础和技术支持。
图5 (a)在不同流动模式下用USMR制备脂质体；(b-c)超声功率对USMR-IF制备脂质体DS和PDI的影响；(d) USMR-IF制备的脂质体的冷冻透射电镜图像；(e) mRNA脂质纳米颗粒的冷冻投射电镜图
在超声微反应器中，超声通过微反应器传输进入微通道，避免了两相溶液与超声换能器的直接接触，从而避免了换能器表面侵蚀的问题。同时，由于微反应器尺寸小（厚度通常小于超声波的波长），比较容易实现微反应器中声场的均匀分布。相比常规超声波破碎仪和高压均质机，超声空化气泡和液滴被同时局限在微通道的狭小空间中，大大增加了空化气泡和液滴的碰撞频率，使乳化性能大大提高，其通过微通道的串联和并联放大，可以实现乳化过程的快速放大量产，在反应器体积放大30倍时，乳液产品的质量也能保持一致（图6）。
图6 主要因素对于乳液粒径和PDI的影响：(a)水相与大豆油比例；(b)物料停留时间；(c)超声功率；(d)乳液样品照片
总结：
超声微反应器作为一种前沿的微反应器技术，因其独特的优势，在纳米材料合成领域展现出显著潜力。该技术不仅能有效解决常规微反应器所面临的固体颗粒堵塞和放大困难等问题，还能在涉及固体堵塞和混合传质受限的反应过程中实现高效操作，尤其在纳米材料合成领域显示出其卓越性。一个完整的超声微反应器系统通常由超声波电源、超声波换能器、微通道反应器及通道中的流体四部分构成。为了确保系统的高效运行，各组件之间的谐振频率需保持一致，阻抗需实现精确匹配，以保证能量的高效传输。在放大策略上，超声微反应器系统主要围绕超声波电源、反应器辐射面以及微通道尺寸三个方面展开。超声波电源的放大通常通过并联方式实现，以提高功率输出；反应器辐射面的放大则依赖于工具头对声场模态的精准转换，以扩大作用范围；而微通道尺寸的放大则需要精细调控，以避免空化气泡分布不均和空化性能下降，因此，调控空化气泡行为成为放大过程中的关键。研究结果显示，在纳米材料合成过程中，无论是基于反应成核生长控制、分子自组装控制，还是乳液及界面限域控制的合成机理，超声微反应器均展现出对纳米材料尺寸形貌均一性的出色控制能力。这一发现预示着超声微反应器将成为新型的、通用的纳米材料可控宏量制备平台技术，并在能源环境、生物医药、精细化工等领域展现出广阔的应用前景。
思维导图：
论文得到了国家自然科学基金委、广东省自然科学基金委（批准号：2021A1515110111）、汕头市科技局（批准号：STKJTR2023002）化学与精细化工广东省实验室启动项目（批准号：2322004，2111016和2221001）、汕头大学启动项目（项目编号为：NTF23033）的支持。
文章链接：https://hgxb.cip.com.cn/CN/10.11949/0438-1157.20240598
袁权院士（1934年11月2日－2023年10月29日），中国共产党优秀党员、中国科学院院士、我国著名工程化学家、中国科学院大连化学物理研究所研究员。
袁权院士长期从事化工分离和化学反应工程研究，是我国膜科学的创始人之一，在精密精馏和重水分离、航天燃料电池系统、活性非均匀分布催化剂、微反应技术、膜反应和膜反应器理论等领域进行了开拓性研究，其科研成果在国内外具有重要影响。
董正亚博士 | 墨格微流创始人
董正亚博士，化学与精细化工广东省实验室研究员，流动化学、微反应器领域青年学者，国际超声微反应器领域开拓者，汕头大学教授。
