อนาคตของวิศวกรรมวัสดุถูกเปิดเผยโดยเทคนิค Solid-state NMR, Guardian Angel of Manufacturing

สัมภาษณ์ 03

โยโกะ ซากิยามะ นักวิจัยอาวุโส
ห้องปฏิบัติการวัสดุศาสตร์แห่งที่ 2 ห้องปฏิบัติการวิทยาศาสตร์วัสดุศาสตร์
ศูนย์วิจัยโทเร อิงค์

LED, เซลล์เชื้อเพลิง, คาร์บอนคล้ายเพชร…
ญี่ปุ่นยังคงผลิตผลิตภัณฑ์ที่โดดเด่นโดยใช้เทคโนโลยีการผลิตชั้นนำของโลก เทคโนโลยีการใช้งานของนักเคมีวิเคราะห์ของ TRC ที่มี JEOL โซลิดสเตต NMR กำลังเปิดโลกทัศน์ใหม่

บริษัทญี่ปุ่นที่เน้นการวิเคราะห์

” บริษัทญี่ปุ่นให้ความสำคัญกับการวิเคราะห์เป็นอันดับแรก” โยโกะ ซากิยามะแห่ง Toray Research Center, Inc. (TRC) กล่าว เธอเป็นผู้นำของห้องปฏิบัติการซึ่งรวมถึงกลุ่มที่รับผิดชอบอุปกรณ์เรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์ (NMR)
Toray Research Center, Inc. (TRC) เป็นบริษัทวิเคราะห์และวิจัยอิสระ รับคำขอจากธุรกิจและมหาวิทยาลัย และดำเนินการวิเคราะห์ ประเมิน และวิจัยที่เกี่ยวข้องกับการวิจัยและพัฒนาและการผลิต TRC ก่อตั้งขึ้นโดยแยกเป็นนิติบุคคลในปี 1978 โดย Toray Industries, Inc. โดยเป็นส่วนแยกของแผนกวิจัย ทำให้ TRC เป็นหนึ่งในบริษัทแยกอิสระที่เก่าแก่ที่สุดในด้านการวิเคราะห์ฝากขาย
ผลจากประวัติศาสตร์อันยาวนานนี้ พวกเขามีความเชี่ยวชาญเฉพาะด้านในการวิเคราะห์พอลิเมอร์และโมเลกุลขนาดใหญ่ ครอบคลุมหลากหลายสาขา รวมถึงเซมิคอนดักเตอร์ จอแสดงผล เครื่องพิมพ์ แบตเตอรี่ พลังงาน ยานยนต์ วัสดุอุตสาหกรรม สิ่งแวดล้อม ยา และเทคโนโลยีชีวภาพ
บ่อยครั้งที่มีการร้องขอการวิเคราะห์หลังจากเกิดปัญหาขึ้น และลูกค้าต้องการชี้แจงสาเหตุ อย่างไรก็ตาม ที่ TRC ได้แสดงศักยภาพอย่างแท้จริงก็คือบทบาทของพันธมิตรในขั้นการวิจัยและพัฒนา
“ลูกค้ามักจะปรึกษาเราเมื่อพวกเขาได้สร้างสิ่งดีๆ แทนที่จะพูดว่า 'เยี่ยมมาก!' พวกเขาต้องการค้นหาว่าทำไมพวกเขาถึงได้ผลลัพธ์ที่ดี และเพื่อตรวจสอบกลไกและโครงสร้าง เราได้ทำงานหลายโครงการมาเป็นเวลานาน โดยเริ่มจากขั้นตอน R&D ขั้นต้น”

โซลิดสเตต NMR เพื่อวัดสารที่ไม่ละลายน้ำ

นำเสนอเมนูการวิเคราะห์ที่เหมาะสมที่สุดผ่านการทำงานร่วมกันของ YOKOGUSHI (ทั่วทั้งบริษัท)

อย่างไรก็ตาม สาเหตุของการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนไม่สามารถระบุได้ด้วย NMR เพียงอย่างเดียว ต้องรวมวิธีการวิเคราะห์ต่างๆ เข้าด้วยกันเพื่อกำหนดตำแหน่งที่เกิดการเสื่อมสภาพในวัสดุแอโนด แคโทด และตัวแยก เพื่อให้บรรลุสิ่งนี้ ที่ TRC หลายกลุ่มแต่ละกลุ่มที่เชี่ยวชาญในวิธีการที่แตกต่างกันจะทำงานร่วมกันในระดับทั่วทั้งบริษัทเพื่อมอบเมนูตัวเลือกการวิเคราะห์ที่เหมาะสมที่สุด
นอกจากนี้ เนื่องจากมีอันตรายที่ลิเธียมจะจุดไฟรุนแรงหากแบตเตอรี่สัมผัสกับบรรยากาศ การวัดและการถอดประกอบจะต้องดำเนินการโดยไม่มีการสัมผัสกับบรรยากาศ โดยปกติ ตัวอย่างจะถูกส่งไปยัง TRC เป็นชุดแบตเตอรี่ และทีมพิเศษที่ TRC ทำการถอดแยกชิ้นส่วนและแยกวัสดุเป้าหมายเพื่อให้แน่ใจว่าการวิเคราะห์ดำเนินการได้อย่างปลอดภัย
นอกจากการวิเคราะห์แล้ว ยังค้นหาสาเหตุของการเสื่อมสภาพและเสนอแนวทางป้องกันการเสื่อมสภาพสำหรับขั้นตอนการพัฒนาอีกด้วย บทบาทของ TRC ในการปรับปรุงระดับการผลิตในญี่ปุ่นนั้นไม่ใช่เรื่องเล็ก

รองรับการผลิตขั้นสูง

สิ่งหนึ่งที่ TRC ได้ดำเนินการไปเมื่อเร็วๆ นี้ก็คือคาร์บอนที่มีลักษณะเหมือนเพชร วัสดุนี้สามารถสะสมเป็นฟิล์มเรียบและแข็งด้วยเพชรบนพื้นผิวของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ เครื่องมือกล หรือลูกสูบของเครื่องยนต์ เพื่อเพิ่มคุณสมบัติของชิ้นส่วนอย่างมาก ขอบเขตการใช้งานกำลังขยายตัวอย่างรวดเร็ว
คุณสมบัติของวัสดุนี้พิจารณาจากอัตราส่วนองค์ประกอบของคาร์บอน 2 ชนิดที่มีโครงสร้างต่างกัน คาร์บอนที่เป็นของแข็งสามารถเป็นคาร์บอน sp2 ซึ่งเป็นตัวนำหรือคาร์บอน sp3 ซึ่งเป็นฉนวน ยิ่งปริมาณ sp2 มากเท่าไร วัสดุก็จะยิ่งเข้าใกล้กราไฟต์มากขึ้นเท่านั้น เมื่อปริมาณ sp3 เพิ่มขึ้น วัสดุจะกลายเป็นเพชรมากขึ้น สัดส่วนที่เหมาะสมจะขึ้นอยู่กับการใช้งานที่ต้องการ
ความสามารถในการแยกแยะความแตกต่างทางโครงสร้างของคาร์บอน และการตรวจสอบปริมาณของแต่ละประเภทที่มีอยู่เป็นสิ่งที่นำเสนอ NMR แบบโซลิดสเตตเท่านั้น คุณซากิยามะและทีมของเธอได้รับคำขอที่เกี่ยวข้องกับการเลือกวัสดุประเภทนี้มากขึ้นเรื่อยๆ โดยลูกค้าถามว่า “มันดูดีมาก แต่อัตราส่วนส่วนผสมที่แท้จริงคืออะไร”
อีกพื้นที่หนึ่งที่มีคำขอเพิ่มขึ้นคือเซลล์เชื้อเพลิง ในที่สุด รถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงก็พร้อมจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ในเดือนพฤศจิกายน 2014 ด้วยความคาดหมายของการขยายตลาดที่สำคัญ ผู้ผลิตวัสดุ ผู้ผลิตแบตเตอรี่ และผู้ผลิตรถยนต์ต่างเร่งรีบเพื่อเป็นที่แรกในการให้คำปรึกษาและวิเคราะห์ โพลีเมอร์อิเล็กโทรไลต์เป็นส่วนประกอบที่สำคัญของเซลล์เชื้อเพลิง แต่ไม่สามารถละลายได้ง่าย นี่คือสถานการณ์ที่เรียกร้องให้ใช้ NMR แบบโซลิดสเตต
“คุณต้องการให้แบตเตอรี่ที่ติดตั้งในรถของคุณใช้งานได้นานถึง 10 ปี โพลีเมอร์ชนิดแรกเสื่อมสภาพอย่างรุนแรง และไม่เหมาะสำหรับการใช้งานจริง สาเหตุส่วนหนึ่งที่ในที่สุดรถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงก็ปรากฏตัวขึ้นในตลาดคือความทนทานที่เพิ่มขึ้นของโพลีเมอร์และตัวเร่งปฏิกิริยา รวมถึงการจัดตั้งเทคโนโลยีเพื่อใช้สารเคลือบตัวเร่งปฏิกิริยาอย่างสม่ำเสมอ สำหรับพวกเราที่ประเมินวัสดุเหล่านี้อย่างต่อเนื่องมานานกว่า 10 ปี มันเป็นความสำเร็จที่สำคัญอย่างแท้จริง”

เปิดโลกทัศน์ใหม่ด้วยโพรบ 1 มม

แกนนำของงานโดย Sakiyama และทีมงานของเธอคือ JEOL โซลิดสเตต NMR
“แน่นอนว่าประสิทธิภาพของเครื่องมือนั้นสำคัญ แต่เราก็ยินดีเป็นอย่างยิ่งที่ได้ปรึกษากับ JEOL เกี่ยวกับการวัดแบบใดแบบหนึ่งที่เราอยากทำ และรับคำแนะนำอันมีค่าและการปรับปรุงตอบแทนแทบจะในทันที เป็นเรื่องน่ายินดีอย่างยิ่งที่ได้เห็นความสนใจและความพยายามที่ JEOL มอบให้กับการสอบถามของเรา เนื่องจากเป็นเครื่องจักร จึงมีบางครั้งที่ไม่ได้ทำงานอย่างสมบูรณ์ แต่เราได้รับการสนับสนุนด้านบริการอย่างรวดเร็วเสมอ”
ในปี 2012 ได้มีการเพิ่มโพรบ (ตัวตรวจจับ) เพื่อให้สามารถใช้หลอดตัวอย่างแบบละเอียดพิเศษที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 1 มม. สิ่งนี้ทำให้สามารถเอาชนะปัญหาที่รบกวน NMR มาระยะหนึ่ง ซึ่งก็คือความต้องการตัวอย่างปริมาณมาก ความสามารถในการตรวจวัดด้วยตัวอย่างปริมาณน้อยช่วยขยายช่วงของเป้าหมายการวิเคราะห์ได้อย่างมาก
ตัวอย่างเช่น TRC ได้รับคำขอมากมายให้ค้นหาสาเหตุที่ความสว่างของ LED ลดลง ปริมาณของวัสดุที่ใช้ใน LED นั้นค่อนข้างเล็ก อย่างไรก็ตาม การวัดด้วย NMR นั้นทำได้ยาก ด้วยการเปิดตัวโพรบขนาด 1 มม. ทำให้สามารถเพิ่มการตรวจสอบการเสื่อมสภาพของ LED ในรายการบริการได้
“ในหลายกรณี การเสื่อมสภาพเกิดขึ้นเฉพาะบนพื้นผิวของวัสดุหรือเฉพาะในพื้นที่ที่มีการแปล ด้วยหัววัดขนาด 1 มม. คุณจึงสามารถโกนและวิเคราะห์เฉพาะส่วนที่คุณต้องการดูได้ นี่เป็นก้าวที่ยิ่งใหญ่สำหรับเรา”
สำหรับอนาคต TRC ต้องการเน้นที่วัสดุทางการแพทย์มากขึ้น เช่น โพลีเมอร์ที่ใช้ในการฟอกไต และเคมีสีเขียว ซึ่งเป็นพื้นที่ที่ใช้เซลลูโลสและลิกนินในพืชเป็นวัตถุดิบ
“สำหรับสาขาใหม่ เนื่องจากยังไม่มีการกำหนดวิธีการวิเคราะห์ เราหวังว่าจะร่วมมือกับมหาวิทยาลัย ฯลฯ เพื่อพัฒนาวิธีการประเมินและประเมินผลที่หลากหลาย”
ความพยายามของนักเคมีวิเคราะห์ที่มี NMR ดูเหมือนจะเป็นกุญแจสำคัญในการแสดงให้เราเห็นโลกใหม่

โพสต์เมื่อ เมษายน 2015

ศูนย์วิจัยโทเร อิงค์