Saya mahu membuat polimer kelihatan
TEMUDUGA 11
Hiroaki Sato:
Ph.D.Timbalan Pengarah, Institut Penyelidikan Kimia Lestari, Institut Sains dan Teknologi Industri Termaju Negara (AIST)
Saya mahu membuat polimer kelihatan.
Dr. Sato telah mengiringi rapat evolusi spektrometer jisim selama 30 tahun. Dengan menggunakan sepenuhnya spektrometer jisim yang canggih, beliau telah menjelaskan apa yang berlaku dalam dunia polimer. Kaedah penilaian dengan pengetahuannya akan memberi kekuatan baru kepada industri kimia.
Polimer adalah menarik kerana anda tidak pernah tahu apa yang anda akan dapati
"Analisis polimer menarik kerana ia mendedahkan banyak perkara yang berbeza. Ia seperti sejenis memancing, di mana anda tidak tahu apa yang akan anda tangkap" ketawa Dr. Hiroaki Sato, dari Institut Sains dan Teknologi Perindustrian Termaju Negara ( AIST). Beliau pakar dalam kimia analitik.
Sepanjang tahun pelajar dan pasca doktoralnya, beliau telah terlibat dalam spektrometri jisim, bergerak antara bidang sains, kejuruteraan dan pertanian. Beliau telah menganalisis pelbagai jenis bahan, termasuk bahan industri kalis api, bahan bantu racun perosak, bahan pertanian terbiodegradasi, protein dan mikroorganisma.
"Saya mahu menjadikan polimer kelihatan. Itulah yang saya selalu mahu lakukan. Saya sentiasa melakukan perkara yang sama walaupun sasaran analisis berubah. Saya sentiasa cuba untuk menghasilkan idea tentang perkara ini dan bagaimana kita boleh menyiasat ia.”
Khususnya, beliau telah memberi tumpuan kepada proses penguraian. Beliau telah terlibat dalam satu siri kajian tentang degradasi haba plastik, biodegradasi bahan bantu racun perosak, dan dinamik persekitaran bahan organik. Selama 30 tahun dia telah bekerja dengan spektrometer jisim prestasi tertinggi pada masa itu, dan mendorongnya ke had. Spektrometer jisim adalah alat yang dia kenali.
Dia berkata, "Saya fikir saya dapat memahami maksud jisim berubah kerana saya telah bekerja dalam pelbagai bidang. Anda tidak dapat melihat molekul itu sendiri, tetapi anda boleh memahami tindak balas yang berlaku dengan melihat pada perubahan jisimnya. Spektrometer jisim ialah alat ajaib yang boleh memberitahu kita bahawa."
Spektrometer Jisim untuk Mengubah Dunia
Pada tahun 2010, beliau menerima prototaip spektrometer jisim. Ia dibuat oleh JEOL. Ia berjaya memanjangkan jarak penerbangan ion yang telah diserap daripada sampel dengan menghantarnya pada trajektori lingkaran, yang jauh lebih lama daripada instrumen konvensional. Jarak penerbangan ion per unit masa bergantung kepada jisim ion. Oleh itu, dengan mengesan perbezaan jarak penerbangan (masa penerbangan), kita dapat mengetahui secara sepintas lalu apakah molekul yang terkandung dan dalam keadaan apa. Namun begitu, ion dengan perbezaan jisim yang sangat kecil boleh muncul bersama-sama sebagai satu puncak dalam spektrum jisim. Ini telah menjadi masalah lama dalam spektrometri jisim.
Untuk menyelesaikan masalah ini, pengeluar telah berusaha meningkatkan masa penerbangan. Untuk menggunakan analogi dengan trek dalam olahraga, walaupun perbezaannya sangat kecil sehingga tidak dapat dikesan pada 50 meter, jika anda berlari 100 meter atau 200 meter pada kelajuan yang sama, perbezaannya menjadi jelas. Kaedah "mendapatkan jarak" dengan membuat ion berjalan ke sana ke mari atau dalam bulatan pada laluan yang sama dikatakan revolusioner apabila ia mula-mula diperkenalkan, kerana ia boleh memanjangkan jarak penerbangan hampir tanpa had. Tetapi ia tidak boleh menjadi penyelesaian asas kerana masalah memotong, di mana ion-ion yang ketinggalan dalam kalangan mereka dikesan terlebih dahulu.
Kaedah yang dibangunkan oleh JEOL untuk menerbangkan ion dalam trajektori lingkaran menyelesaikan masalah memotong, walaupun jarak penerbangan adalah terhad. Ia dijangka mencapai susunan magnitud resolusi dan ketepatan yang lebih tinggi. "Sebagai contoh, walaupun terdapat perbezaan antara CO dan C2H4 dalam struktur dua jenis molekul, perbezaan jisim hanya 0.036 Da. Dengan spektrometer jisim konvensional, puncak dalam spektrum jisim adalah sama. Walau bagaimanapun, dengan SpiralTOF™ (prototaip JEOL), puncak dipisahkan dengan indah. Sebaik sahaja saya menggunakannya, saya tahu dunia baru telah dibuka. Sehingga itu, saya berpendapat bahawa analisis polimer tidak memerlukan resolusi tinggi seperti itu, tetapi itu hanya jika anda mengukur polimer tulen. Polimer industri selalunya merupakan campuran yang kompleks, dan produk polimer di pasaran dibuat dengan mencampurkan berbilang polimer. Jadi, saya fikir ia sepatutnya berguna dalam adegan praktikal seperti penilaian produk.
JMS-S3000 SpiralTOF™(Kiri) dan JMS-T200GC AccuTOF™ GCx-plus(Kanan) JEOL Ltd. digunakan oleh Polymer Chemistry Group
"Menjamin" kualiti polimer pada tahap molekul
Pada masa itu, Dr. Sato telah dipindahkan ke Institut Penyelidikan Kimia Lestari, dan dilantik sebagai ketua kumpulan penyelidik. Sebagai inisiatif baharunya, beliau mewujudkan penyelesaian untuk mendiagnosis dan menilai bahan daripada pelbagai perspektif.
"Melihat sekitar industri kimia, terdapat banyak usaha yang dilakukan dalam pembangunan bahan baharu, dan produk cemerlang muncul satu demi satu. Sebaliknya, tidak banyak penyelidikan mengenai penilaian bahan yang dihasilkan dan produk. Di Bahagian Penyelidikan Kimia Fungsian, kami sudah mempunyai sekumpulan orang yang mempunyai kemahiran yang pelbagai dalam sifat fizikal dan analisis spektroskopi. Saya mencadangkan bahawa, jika kita boleh menambah pengetahuan saya tentang melihat dan menilai polimer pada peringkat molekul, kita akan mampu menawarkan pakej komprehensif untuk diagnosis dan penilaian polimer.”
Sudah tentu, penilaian produk siap dilakukan oleh semua syarikat. Walau bagaimanapun, ia biasanya terhad kepada penilaian sifat fizikal. Sebagai contoh, jika terdapat spesifikasi yang mengatakan, "gunakan poliester sebagai bahan dan buat produk dengan tahap kekerasan ini," dan jika kekerasan memenuhi spesifikasi, produk akan lulus pemeriksaan. Walau bagaimanapun, di tapak pembuatan bahan sebenar, jika kekerasan nampaknya menyimpang daripada spesifikasi semasa proses pembuatan, beberapa bahan yang tidak diingini dicampurkan, atau poliester dengan bilangan struktur berulang yang berbeza mungkin dicampur untuk melaraskan kekerasan untuk memenuhi spesifikasi. Tambahan pula, pengeluar alat ganti yang menggunakan poliester sebagai bahan mendapatkannya daripada beberapa syarikat pembuatan poliester, termasuk di luar negara. Walaupun spesifikasi telah diluluskan, "terdapat banyak struktur molekul yang berbeza bercampur dalam" (Dr. Sato).
Ini bermakna walaupun produk itu melepasi pemeriksaan seketika, kadar hasil mungkin sangat rendah dalam proses pembuatan bahagian. Atau apabila produk dikeluarkan ke pasaran, ia mungkin merosot dengan ketara selepas digunakan untuk seketika.
"Spektrometer jisim resolusi tinggi boleh mengesan walaupun sedikit perbezaan dalam mengulangi struktur dan kumpulan akhir dalam polimer yang sama. Dalam erti kata lain, asal boleh ditentukan sepintas lalu. Jika kita boleh mempunyai sistem untuk menilai struktur molekul sebagai biasa bahasa, pengeluar bahan akan dapat menghantar produk dengan yakin, dan pengeluar produk akan dapat menggunakannya dengan tenang. Ia akan meningkatkan ketepatan pengurusan pengeluaran dan kawalan kualiti di seluruh rantaian bekalan," tegasnya.
Perisian untuk analisis polimer dengan kaedah KMD -msRepeatFinder
Beliau juga telah membangunkan kaedah baru untuk memudahkan analisis. Beliau menggunakan kaedah Kendrick Mass Defect (KMD), yang telah digunakan untuk menilai pemprosesan petroleum, dalam pencirian polimer. Ringkasnya, kaedah KMD ialah pemplotan dua dimensi jisim bahan sasaran, dengan bahagian integer jisim molekul pada paksi mendatar dan bahagian pecahan pada paksi menegak. Dalam kaedah ini, titik data polimer dengan unit berulang yang sama diplot dalam satu baris, manakala polimer dengan struktur yang berbeza membuat garisan yang berbeza. Bahan tambah tidak mempunyai kitaran berulang, jadi ia terapung di atas graf. Bahan yang tidak dapat dibezakan dengan jelas dalam spektrum jisim disebabkan oleh pengagihan bertindih boleh dibezakan dengan jelas menggunakan kaedah KMD.
"Peningkatan kecanggihan spektrometer jisim telah menambah perhatian kimia kepada kawalan kualiti. Kami boleh meningkatkan daya saing kami dengan mencipta reka bentuk analitikal untuk menggabungkan kaedah ini dengan kaedah analisis lain. Idea ini muncul apabila terdapat jisim asli dan berprestasi tinggi. spektrometer, dan apabila saya menggunakannya sehingga had. Saya ingin melihatnya merebak."
Sebagai tindak balas kepada pemanasan global, ia dijangka menjadi lebih sukar untuk membuat plastik baharu daripada petroleum. Ini bermakna kita perlu lebih bergantung kepada bahan kitar semula, dan risiko campuran yang tidak diingini akan menjadi lebih tinggi. Kaedah penilaian polimer yang ditubuhkan oleh kumpulan Dr. Sato mungkin merupakan penyelesaian penting untuk era penyahkarbonan.
Dr Sato dan Ahli Kumpulan Kimia Polimer
Hiroaki Sato: Ph.D.
Timbalan Pengarah, Institut Penyelidikan Kimia Lestari, Institut Sains dan Teknologi Industri Termaju Negara (AIST)
1998 Mendapat ijazah kedoktoran (Kejuruteraan) dari Sekolah Siswazah Kejuruteraan, Universiti Nagoya. Berkhidmat sebagai doktor pasca di Universiti Nagoya, Universiti Meijo, 2002 Menyertai AIST,
2017 Ketua kumpulan Kumpulan Kimia Polimer, Institut Penyelidikan Kimia Lestari (ISC),
2019 Pengarah, Ibu Pejabat Perancangan,
2021 Timbalan Pengarah, ISC.
Disiarkan: Oktober 2021