Masa Depan Kejuruteraan Bahan Didedahkan oleh NMR keadaan pepejal, Malaikat Penjaga Pembuatan
TEMUDUGA 03
Penyelidik Kanan Yoko Sakiyama
Makmal Sains Bahan ke-2 Makmal Sains Bahan
Pusat Penyelidikan Toray, Inc.
LED, sel bahan api, karbon seperti berlian…
Jepun terus menghasilkan produk cemerlang menggunakan teknologi pembuatan terkemuka dunia. Teknologi aplikasi ahli kimia analitik TRC dengan NMR keadaan pepejal JEOL mereka membuka ufuk baharu.
Syarikat Jepun Memfokuskan pada Analisis
"Syarikat Jepun benar-benar mengutamakan analisis," kata Yoko Sakiyama dari Pusat Penyelidikan Toray, Inc. (TRC). Beliau adalah ketua makmal yang termasuk kumpulan yang bertanggungjawab bagi peralatan resonans magnetik nuklear (NMR).
Pusat Penyelidikan Toray, Inc. (TRC) ialah sebuah syarikat analisis dan penyelidikan bebas, menerima permintaan daripada perniagaan dan universiti, dan melaksanakan tugasan analisis, penilaian dan penyelidikan yang berkaitan dengan R&D dan pengeluaran. TRC telah ditubuhkan sebagai entiti berasingan pada tahun 1978 oleh Toray Industries, Inc. sebagai spinoff jabatan penyelidikan mereka, menjadikannya salah satu syarikat spinoff bebas tertua dalam bidang analisis konsainan.
Hasil daripada sejarah panjang ini, mereka mempunyai kepakaran khusus dalam analisis polimer dan makromolekul, meliputi pelbagai bidang, termasuk semikonduktor, paparan, pencetak, bateri, tenaga, automotif, bahan industri, alam sekitar, perubatan dan bioteknologi.
Selalunya permintaan analisis dibuat selepas beberapa masalah berlaku, dan pelanggan ingin menjelaskan puncanya. Namun begitu, di mana TRC benar-benar menunjukkan keupayaannya adalah dalam peranan rakan kongsi semasa peringkat penyelidikan dan pembangunan.
“Pelanggan sering berunding dengan kami apabila mereka telah mencipta sesuatu yang baik. Daripada hanya berkata 'Itu bagus!', mereka mahu mengetahui sebab mereka mendapat keputusan yang baik, dan untuk mengesahkan mekanisme dan struktur. Kami telah mengusahakan banyak projek dalam jangka masa yang panjang, bermula dari peringkat R&D awal.”
NMR Keadaan Pepejal untuk Mengukur Bahan Tidak Larut
JEOL NMR keadaan pepejal digunakan dalam Makmal Kimia Struktur 2
Dalam NMR terdapat sistem yang direka untuk mengendalikan sampel cecair (NMR keadaan cecair) dan sistem yang direka untuk mengendalikan sampel pepejal (NMR keadaan pepejal). NMR keadaan pepejal yang kerap digunakan di TRC ialah instrumen yang mampu mendapatkan maklumat struktur bagi keseluruhan bahan pada tahap molekul. Bagi kebanyakan bahan, jika ia boleh dibubarkan, ia akan lebih mudah untuk dianalisis sebagai penyelesaian. Ini kerana terdapat pelbagai teknik analisis yang lebih luas untuk cecair, dan maklumat itu mudah diperoleh. Walau bagaimanapun, sesetengah polimer sukar larut dalam pelarut. Ia bukan sesuatu yang luar biasa untuk sifat bahan berubah apabila dibubarkan, seperti produk farmaseutikal, atau maklumat struktur menjadi purata. Di sinilah NMR pepejal memainkan peranan penting.
Sebagai contoh, analisis bateri lithium ion adalah salah satu permintaan yang sering diterima oleh Cik Sakiyama. Pelanggan datang untuk mendapatkan bantuan dengan masalah seperti kemerosotan yang lebih cepat daripada jangkaan, jadi bateri tidak lagi mengecas dan menyahcas, atau untuk mengetahui lebih lanjut tentang bahan baharu dan sebab ia menawarkan prestasi yang baik.
Di dalam elektrod bateri ion litium, litium wujud sebagai ion litium biasa atau dalam sebatian. Apabila bahan merosot, bagaimanapun, beberapa bahagian yang menerima elektron menjadi litium logam, menghasilkan bentuk litium berbahaya yang sangat reaktif. Hanya NMR keadaan pepejal membolehkan untuk menentukan sama ada analit adalah sebatian litium atau litium logam. NMR keadaan pepejal juga merupakan alat yang berguna untuk analisis kuantitatif, untuk menentukan peratusan bahan yang telah terdegradasi.
Menawarkan Menu Analisis Optimum melalui Kerjasama YOKOGUSHI (Seluruh Syarikat).
Walau bagaimanapun, punca kemerosotan bateri litium ion tidak dapat dikenal pasti oleh NMR sahaja. Pelbagai kaedah analisis mesti digabungkan untuk menentukan di mana kemerosotan berlaku dalam bahan anod, katod dan pemisah. Untuk mencapai matlamat ini, di TRC, berbilang kumpulan yang masing-masing pakar dalam kaedah berbeza bekerjasama pada skala seluruh syarikat untuk menyediakan menu pilihan analisis yang ideal.
Selain itu, memandangkan terdapat bahaya bahawa litium akan menyala dengan kuat jika bateri terdedah kepada atmosfera, pengukuran dan pembongkaran mesti dilakukan tanpa sebarang pendedahan atmosfera. Sampel biasanya dibawa ke TRC sebagai pek bateri, dan pasukan khas di TRC melakukan pembongkaran dan pengekstrakan bahan sasaran untuk memastikan analisis dijalankan dengan selamat.
Di luar hanya melakukan analisis, mereka mencari punca kemerosotan dan mencadangkan cara untuk mencegah kemerosotan untuk peringkat pembangunan. Peranan yang dimainkan oleh TRC dalam meningkatkan tahap pembuatan di Jepun bukanlah kecil.
Sokongan untuk Pembuatan Termaju
Salah satu perkara yang telah banyak diusahakan oleh TRC baru-baru ini ialah karbon seperti berlian. Bahan ini boleh didepositkan sebagai filem licin dan keras berlian pada permukaan bahan semikonduktor, alatan mesin atau omboh enjin untuk meningkatkan sifat bahagian tersebut secara mendadak. Julat aplikasinya berkembang pesat.
Ciri-ciri bahan ini ditentukan oleh nisbah komposisi 2 jenis karbon yang mempunyai struktur yang berbeza. Karbon pepejal boleh menjadi karbon sp2, yang merupakan konduktor, atau karbon sp3, yang merupakan penebat. Semakin besar jumlah sp2, semakin dekat bahan tersebut dengan grafit. Apabila jumlah sp3 meningkat, bahan menjadi lebih seperti berlian. Perkadaran optimum ditentukan bergantung pada aplikasi yang dikehendaki.
Keupayaan untuk membezakan perbezaan struktur karbon, dan untuk mengesahkan jumlah setiap jenis yang ada adalah sesuatu yang hanya ditawarkan oleh NMR keadaan pepejal. Cik Sakiyama dan pasukannya menerima lebih banyak permintaan yang berkaitan dengan pemilihan bahan jenis ini, dengan pelanggan bertanya "Ia kelihatan sangat bagus, tetapi apakah nisbah kompaun sebenar?"
Satu lagi kawasan di mana lebih banyak permintaan telah berkembang ialah sel bahan api. Kenderaan sel bahan api akhirnya tersedia secara komersial pada November 2014. Dalam menjangkakan perkembangan pasaran yang ketara, pembuat bahan, pembuat bateri, serta pengeluar kereta bergegas untuk menjadi yang pertama dalam barisan untuk perundingan dan analisis. Polimer elektrolitik adalah komponen penting sel bahan api, tetapi tidak mudah larut. Ini adalah keadaan yang memerlukan NMR keadaan pepejal.
“Anda mahu bateri yang dipasang di dalam kereta anda bertahan selama 10 tahun. Polimer pertama benar-benar merosot dengan teruk, dan tidak sesuai untuk kegunaan praktikal. Sebahagian daripada sebab kereta sel bahan api akhirnya muncul di pasaran ialah ketahanan polimer dan pemangkin yang lebih baik, serta penubuhan teknologi untuk menggunakan salutan pemangkin secara seragam. Bagi kami yang telah terus menilai bahan-bahan ini selama lebih daripada 10 tahun, ia adalah satu pencapaian yang benar-benar signifikan.”
Membuka New Horizons dengan Probe 1 mm
Tunjang utama kerja oleh Sakiyama dan pasukannya ialah NMR keadaan pepejal JEOL.
“Sudah tentu prestasi instrumen adalah penting, tetapi kami juga menghargai dapat berunding dengan JEOL tentang jenis ukuran tertentu yang ingin kami buat, dan menerima cadangan dan penambahbaikan berharga sebagai balasan hampir serta-merta. Sungguh menggembirakan melihat minat dan usaha yang JEOL berikan kepada pertanyaan kami. Memandangkan ia adalah mesin, ada kalanya ia tidak berfungsi dengan sempurna, tetapi kami sentiasa menerima sokongan perkhidmatan pantas.”
Pada tahun 2012 probe (pengesan) telah ditambah untuk membolehkan penggunaan tiub sampel ultra-halus dengan diameter 1 mm. Ini membolehkan untuk mengatasi masalah yang telah melanda NMR untuk beberapa lama, keperluan untuk kuantiti sampel yang banyak. Keupayaan untuk membuat pengukuran dengan jumlah sampel yang kecil telah meluaskan julat sasaran analisis.
Sebagai contoh, TRC telah menerima banyak permintaan untuk mengetahui sebab kecerahan LED semakin merosot. Jumlah bahan yang digunakan dalam LED agak kecil, bagaimanapun, membuat pengukuran dengan NMR sukar. Dengan pengenalan probe 1 mm, kini boleh menambah penyiasatan kemerosotan LED pada senarai perkhidmatan mereka.
“Dalam banyak kes, kemerosotan hanya pada permukaan bahan, atau hanya di kawasan setempat. Terima kasih kepada probe 1 mm, anda boleh mengambil cukur dan menganalisis hanya bahagian yang anda mahu lihat. Ini adalah satu langkah besar ke hadapan untuk kami.”
Untuk masa hadapan, TRC ingin memberi lebih tumpuan kepada bahan perubatan, seperti polimer yang digunakan dalam dialisis, dan kimia hijau, kawasan yang menggunakan selulosa dan lignin yang terkandung dalam tumbuhan sebagai bahan mentah.
"Bagi bidang baharu, memandangkan metodologi analisis belum diwujudkan, kami berharap dapat bekerjasama dengan Universiti, dsb. untuk membangunkan pelbagai kaedah penilaian dan penilaian."
Usaha ahli kimia analitik dengan NMR nampaknya memegang kunci untuk menunjukkan kepada kita dunia baharu.
Yoko Sakiyama
Penyelidik Kanan
Makmal Sains Bahan ke-2 Makmal Sains Bahan
Pusat Penyelidikan Toray, Inc.
Menerima Ijazah Sarjana dari Universiti Sains Kejuruteraan Osaka dalam Kimia Sintetik pada tahun 1999.
Menyertai Toray Research Centre, Inc. pada tahun yang sama. Kemudian ditugaskan ke Kumpulan Analisis Struktur, di mana dia terus aktif. Bidang penyelidikan semasa adalah analisis menggunakan NMR keadaan pepejal.
Subjek analisis termasuk sel bahan api, bateri litium, kapasitor, polimer, produk farmaseutikal dan pemangkin bukan organik.
Disiarkan:April 2015