Introducción de enfoques innovadores para la caracterización de materiales

Scott Hanton es el director editorial de Lab Manager. Pasó 30 años como químico investigador, director de laboratorio y líder empresarial en Air Products e Intertek. El gano...

La Cumbre de Innovaciones en Caracterización de Materiales 2023 se celebró en la Universidad Carnegie Mellon en Pittsburgh, PA, del 7 al 9 de agosto de 2023. Este evento reúne a expertos científicos en una amplia gama de enfoques de caracterización de materiales durante dos días de presentaciones y debates sobre los desafíos que enfrentan y las soluciones que han descubierto. La cumbre de este año fue patrocinada por Waters Corporation (Milford, MA) y Bausch + Lomb (Bridgewater, Nueva Jersey). Las presentaciones cubrieron una amplia variedad de temas que incluyen síntesis de nuevos materiales, análisis cromatográfico, avances en espectrometría de masas (MS) y enfoques analíticos integrados. Los aspectos más destacados de las presentaciones se incluyen a continuación.

MS es un método de caracterización de materiales muy potente debido a su combinación de especificidad, variedad de aplicaciones y facilidad de uso. Chrys Wesdemiotis de la Universidad de Akron, Thierry Fouquet de Bausch + Lomb, Mark Morris de Covestro, Chris Shaffer de 3M Company y Mark Bier de la Universidad Carnegie Mellon abordaron diferentes enfoques para aplicar la EM a una amplia gama de materiales poliméricos.

Los aspectos más destacados de sus presentaciones incluyeron:

Una conclusión importante de las discusiones sobre EM fue el enfoque de Fouquet de transformar los datos de MS en potentes gráficos bidimensionales que proporcionan información sobre los polímeros mediante inspección. La clave de este enfoque es trazar la fracción de exceso de masa versus la masa nominal para cargar la relación (m/z). Un refinamiento adicional redefine la masa de referencia de 12C igual a 12.000 D a algo relevante para el análisis, como definir la masa de metacrilato de metilo a 100.000 D. Este enfoque es muy prometedor para acelerar el análisis de materiales poliméricos mediante MS de alta resolución, incluso de Materiales desconocidos.

La mayor parte del trabajo de caracterización de materiales complejos implica un equipo de científicos y una variedad de técnicas complementarias. Si bien ningún enfoque único puede resolver completamente el problema, aprender sobre partes del material a través de diferentes experimentos a menudo conduce a resultados exitosos. Este enfoque requiere trabajo en equipo, cooperación y habilidades generalistas. Drew Hoteling de Bausch + Lomb, Kathryn Beers del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), Anthony Gies de Dow, Inc, Aaron Hedegaard de 3M Company y Rachel Behrens de la Universidad de California en Santa Bárbara utilizaron una variedad de herramientas. y enfoques para resolver problemas importantes.

Los aspectos más destacados de sus presentaciones incluyeron:

Hubo dos conclusiones clave de esta sesión. El primero fue el detalle, la cooperación y el poder de un enfoque analítico verdaderamente integrado como lo describe Hoteling. El enfoque multitécnico respondió preguntas clave sobre la naturaleza del material complejo. Su charla enfatizó la necesidad de diferentes técnicas y conocimientos, y la capacidad de combinar los datos para resolver desafíos complejos. Mientras describía el papel de 14 métodos diferentes, Hoteling mostró cómo los diferentes datos respaldaban las conclusiones extraídas por el equipo.

El segundo fue la importancia de mejorar el reciclaje de polímeros como lo describió Beers, quien enfatizó los beneficios de mantener los átomos y las moléculas dentro de la economía, en lugar de comprometerlos con flujos de desechos. Mostró múltiples ejemplos del uso de mejores datos para ayudar a comprender y mejorar los desafíos del reciclaje de materiales. Uno de los avances clave fue el uso de espectroscopia infrarroja, SEC de alta temperatura, calorimetría diferencial de barrido y datos de densidad para entrenar un sistema de infrarrojo cercano de alto rendimiento utilizando software de inteligencia artificial para comprender la cristalinidad y la ramificación en poliolefinas. El NIST ha creado un conjunto de datos públicos utilizando estos datos para ayudar a promover enfoques de reciclaje de plásticos más inteligentes.

Las técnicas de separación cromatográfica son muy útiles para caracterizar formulaciones y materiales complejos. La separación de componentes permite analizarlos individualmente, simplificando el proceso de caracterización. Miroslav Janic de Dow, Inc., Catherine Smith de Arkema, Inc. y Judit Puskas de la Universidad Estatal de Ohio discutieron sistemas potentes con guiones diseñados para obtener más información a partir de muestras separadas cromatográficamente.

Los aspectos más destacados de sus presentaciones incluyeron:

Una conclusión clave de esta sesión fue la flexibilidad que conlleva acoplar APC a ICP/MS presentada por Janic. El uso de APC amplía los sistemas de disolventes disponibles para ICP. Los tiempos de experimento muy cortos suministran mucho menos solvente al soplete, lo que limita los problemas asociados con muchos solventes orgánicos. Janic no encontró un ensanchamiento significativo del pico al dividir con guiones ICP/MS.

Las mejoras en los materiales requieren la colaboración entre los científicos sintéticos que se centran en inventar nuevos materiales, desarrollar materias primas más sostenibles y mejorar los procesos para generar materiales útiles, y los científicos analíticos que desarrollan métodos de caracterización innovadores para comprender lo que se creó. Krzysztof Matyjaszewski. Kevin Noonan y Daphne Chan de la Universidad Carnegie Mellon presentaron el trabajo de sus grupos de investigación sobre la creación de nuevos materiales que combinan composición, topología y funcionalidad.

Los aspectos más destacados de esta sesión incluyen:

La conclusión clave de esta sesión es la necesidad de que los químicos sintéticos dispongan de materias primas más sostenibles para fabricar materiales modernos. Tanto Noonan como Chan enfatizaron la importancia de encontrar y mejorar elementos de construcción naturales y sostenibles en la creación de sus materiales. Su trabajo conecta bien con la presentación de Beers sobre la mejora de la circularidad en la economía de materiales.

Uno de los beneficios clave de conferencias más pequeñas como esta es la facilidad para reunirse y hablar con todos los participantes. Hay amplias oportunidades para hacer preguntas, obtener nuevas ideas y proponer posibles soluciones a todos los expertos en la sala. Los participantes procedían de entornos técnicos y organizativos muy diversos y el intercambio fue rico y útil.