Einführung innovativer Ansätze zur Materialcharakterisierung

Scott Hanton ist Redaktionsleiter von Lab Manager. Er war 30 Jahre lang als Forschungschemiker, Laborleiter und Geschäftsführer bei Air Products und Intertek tätig. Er verdiente...

Der Innovations in Materials Characterization Summit 2023 fand vom 7. bis 9. August 2023 an der Carnegie Mellon University in Pittsburgh, PA, statt. Diese Veranstaltung versammelt wissenschaftliche Experten aus einem breiten Spektrum von Materialcharakterisierungsansätzen für zwei Tage mit Präsentationen und Diskussionen rund um die Herausforderungen, denen sie gegenüberstehen die Lösungen, die sie entdeckt haben. Der diesjährige Gipfel wurde von Waters Corporation (Milford, MA) und Bausch + Lomb (Bridgewater, NJ) gesponsert. Die Präsentationen deckten eine Vielzahl von Themen ab, darunter die Synthese neuer Materialien, chromatographische Analysen, Fortschritte in der Massenspektrometrie (MS) und integrierte Analyseansätze. Die Höhepunkte der Präsentationen sind unten aufgeführt.

MS ist aufgrund seiner Kombination aus Spezifität, Anwendungsspektrum und Benutzerfreundlichkeit eine sehr leistungsstarke Methode zur Materialcharakterisierung. Chrys Wesdemiotis von der Akron University, Thierry Fouquet von Bausch + Lomb, Mark Morris von Covestro, Chris Shaffer von 3M Company und Mark Bier von der Carnegie Mellon University befassten sich mit verschiedenen Ansätzen zur Anwendung von MS auf eine Vielzahl von Polymermaterialien.

Zu den Höhepunkten ihrer Vorträge gehörten:

Eine wichtige Erkenntnis aus den MS-Diskussionen war Fouquets Ansatz, MS-Daten in aussagekräftige zweidimensionale Diagramme umzuwandeln, die durch Inspektion Informationen über die Polymere liefern. Der Schlüssel zu diesem Ansatz besteht darin, die anteilige Überschussmasse gegenüber dem nominalen Masse-Ladungs-Verhältnis (m/z) darzustellen. Eine weitere Verfeinerung definiert die Referenzmasse von 12C gleich 12.000 D auf etwas, das für die Analyse relevant ist, wie die Definition der Masse von Methylmethacrylat auf 100.000 D. Dieser Ansatz ist vielversprechend für die Beschleunigung der Analyse von Polymermaterialien durch hochauflösende MS, sogar von unbekannte Materialien.

Die meisten Charakterisierungsarbeiten an komplexen Materialien erfordern ein Team von Wissenschaftlern und eine Vielzahl ergänzender Techniken. Obwohl kein einzelner Ansatz das Problem vollständig lösen kann, führt das Erlernen von Teilen des Materials durch verschiedene Experimente oft zu erfolgreichen Ergebnissen. Dieser Ansatz erfordert Teamarbeit, Kooperation und generalistische Fähigkeiten. Drew Hoteling von Bausch + Lomb, Kathryn Beers vom National Institute of Standards and Technology (NIST), Anthony Gies von Dow, Inc, Aaron Hedegaard von 3M Company und Rachel Behrens von der University of California Santa Barbara verwendeten alle verschiedene Tools und Lösungsansätze für wichtige Probleme.

Zu den Höhepunkten ihrer Vorträge gehörten:

Aus dieser Sitzung konnten zwei wichtige Erkenntnisse gewonnen werden. Das erste war das Detail, die Zusammenarbeit und die Leistungsfähigkeit eines wirklich integrierten analytischen Ansatzes, wie er von Hoteling beschrieben wird. Der multitechnische Ansatz beantwortete wichtige Fragen zur Beschaffenheit des komplexen Materials. Sein Vortrag betonte die Notwendigkeit unterschiedlicher Techniken und Fachkenntnisse sowie die Fähigkeit, die Daten zu kombinieren, um komplexe Herausforderungen zu lösen. Während Hoteling die Rolle von 14 verschiedenen Methoden beschrieb, zeigte es, wie die verschiedenen Daten die Schlussfolgerungen des Teams stützten.

Zweitens ging es um die Bedeutung der Verbesserung des Polymerrecyclings, wie Beers es beschrieb. Er betonte die Vorteile, Atome und Moleküle in der Wirtschaft zu belassen, anstatt sie in Abfallströme zu stecken. Sie zeigte mehrere Beispiele für die Verwendung besserer Daten, um die Herausforderungen beim Materialrecycling zu verstehen und zu verbessern. Einer der wichtigsten Fortschritte war der Einsatz von Infrarotspektroskopie, Hochtemperatur-SEC, Differentialscanningkalorimetrie und Dichtedaten, um ein Hochleistungssystem im nahen Infrarotbereich mithilfe von Software für künstliche Intelligenz zu trainieren, um Kristallinität und Verzweigung in Polyolefinen zu verstehen. NIST hat mithilfe dieser Daten einen öffentlichen Datensatz erstellt, um intelligentere Recyclingansätze für Kunststoffe zu fördern.

Chromatografische Trenntechniken sind bei der Charakterisierung komplexer Materialien und Formulierungen sehr hilfreich. Durch die Trennung der Komponenten können diese einzeln analysiert werden, was den Charakterisierungsprozess vereinfacht. Miroslav Janic von Dow, Inc., Catherine Smith von Arkema, Inc. und Judit Puskas von der Ohio State University diskutierten leistungsstarke, getrennte Systeme, die entwickelt wurden, um mehr Informationen aus chromatographisch getrennten Proben zu gewinnen.

Zu den Höhepunkten ihrer Vorträge gehörten:

Eine wichtige Erkenntnis aus dieser Sitzung war die von Janic vorgestellte Flexibilität, die die Kopplung von APC mit ICP/MS mit sich bringt. Der Einsatz von APC erweitert die für ICP verfügbaren Lösungsmittelsysteme. Durch die sehr kurzen Versuchszeiten gelangt viel weniger Lösungsmittel an den Brenner, wodurch die mit vielen organischen Lösungsmitteln verbundenen Probleme begrenzt werden. Janic stellte bei der Silbentrennung mit ICP/MS keine signifikante Peakverbreiterung fest.

Verbesserungen bei Materialien erfordern die Zusammenarbeit zwischen synthetischen Wissenschaftlern, die sich auf die Erfindung neuer Materialien, die Entwicklung nachhaltigerer Rohstoffe und die Verbesserung von Prozessen zur Erzeugung nützlicher Materialien konzentrieren, und den analytischen Wissenschaftlern, die innovative Charakterisierungsmethoden entwickeln, um zu verstehen, was hergestellt wurde. Krzysztof Matyjaszewski. Kevin Noonan und Daphne Chan von der Carnegie Mellon University präsentierten Arbeiten ihrer Forschungsgruppen zur Herstellung neuer Materialien, die Zusammensetzung, Topologie und Funktionalität kombinieren.

Zu den wichtigsten Highlights dieser Sitzung gehören:

Die wichtigste Erkenntnis aus dieser Sitzung ist die Notwendigkeit nachhaltigerer Rohstoffe, die synthetischen Chemikern zur Herstellung moderner Materialien zur Verfügung stehen. Sowohl Noonan als auch Chan betonten, wie wichtig es sei, bei der Herstellung ihrer Materialien natürliche und nachhaltige Bausteine ​​zu finden und zu verbessern. Ihre Arbeit passt gut zu Beers Vortrag über die Verbesserung der Kreislaufwirtschaft in der Materialwirtschaft.

Einer der Hauptvorteile kleinerer Konferenzen wie dieser ist die einfache Möglichkeit, alle Teilnehmer zu treffen und mit ihnen zu sprechen. Es besteht reichlich Gelegenheit, allen Experten im Raum Fragen zu stellen, neue Ideen zu sammeln und mögliche Lösungen vorzuschlagen. Die Teilnehmer hatten sehr unterschiedliche technische und organisatorische Hintergründe und der Austausch war reichhaltig und nützlich.