Shimadzu Journal Vol. 02 - Material Science

Shrnutí Shimadzu Journal Issue 02 ISSUE 3: Material Science and more

Význam tématu

Analytická a testovací řešení hrají zásadní roli ve vývoji a ověřování materiálů pro náročné aplikace v průmyslu, zejména v letectví, automobilovém sektoru či chemickém průmyslu. Pochopení vlivu výrobních a provozních podmínek na vlastnosti kompozitů, vláknových materiálů či polymerů vede k optimalizaci konstrukcí, zajištění bezpečnosti a snížení nákladů. Pokročilé metodiky měření mechanických vlastností včetně rychlotestu únavy, termografie, mikrotvrdoměr a in situ analýz mikroskopií otevřely cestu k efektivnímu vývoji a spolehlivému nasazení nových materiálů.

Cíle a přehled studie / článku

• Prezentace spolupráce Shimadzu s TU Dortmund (Prof. Walther), FEFU, JAXA a dalšími institucemi na poli destruktivního a nedestruktivního testování únavy a poruchových mechanismů.
• Zhodnocení vlivu rychlosti deformace a relativní vlhkosti na kvazistatické vlastnosti technického vulkanizovaného papíru (vulcanized fiber).
• Představení nového 10 MN servopulzního únavového testeru ve výzkumu kompozitů pro leteckou techniku v JAXA pro testování velkorozměrových panelů a skořepin.
• Ukázka SEC-AccuSpot-AXIMA systému pro on-line separaci polymerních frakcí a detekci stopových homopolymerů v komplexních kopolymerních vzorcích.
• Přehled dalších aplikačních poznámek: analýza koroze bateriových elektrod rentgenovou CT, SPM pozorování polymerních pojidel ve spreji, simultánní plynová chromatografie / TOF-MS degradovaných plynů z Li-ion článků, TG–FTIR studium CFRP, EDX analýza cementů, mechanické testy funkčních tenkých filmů, GC/MS stanovení alergenů v kosmetice, vývoj spheroidních analyzátorů povrchu a povrchová plazmová CVD ochranných vrstev OLED.
• Popis globální sítě Shimadzu laboratoří (JP, US, GER, CN, TW, SG, IN) a memorandum o spolupráci NUS-Shimadzu Advanced Facility for Ecoanalytics, rozšíření přístrojového zázemí a aplikované výzkumné kapacity v environmentální analytice.
• Představení metody nSMOL proteolýzy pro cílenou analýzu komplementaritních oblastí monoklonálních protilátek LC–MS.

Použitá metodika a instrumentace

• Mechanické testy: univerzální testery Shimadzu Autograph (AGS-X, AG-X), Servopulser EHF, mikro-hmotnostní magnetické a ultrazvukové únavové systémy (MMT, USF), ultra-mikrotvrdoměr DUH, videoextensometr TRViewX, termografie IR8800, high-speed kamera HyperVision II.
• Velkorozměrové testy v JAXA: Servopulser 10 MN s 300 mm zdvihem a účinným prostorem 3×3 m pro simulaci leteckých panelů a kompozitních skořepin.
• Systém SEC-AccuSpot-AXIMA: on-line nanolitrové dávkování eluátu ze SEC (Shodex GF310A-1E, THF) do MALDI-TOF MS (AXIMA) s dithranolem a Na-TFA a senzorem polohy mřížky.
• Proteomika: nano-SURFace MOlecular Orientation Limited proteolýza (nSMOL) – imobilizace trypsinu na nanočásticích 200 nm, selektivní štěpení variabilních oblastí protilátek.
• Další techniky: GCMS-TQ8040 (triple Q, Smart MRM, ASSP, Scan/MRM), SWP-CVD (Surface Wave Plasma CVD), TG–FTIR, SPM, EDX-8000, CT, refraktometr RID-20A, TOC až 0.3 μg/l.

Hlavní výsledky a diskuse

• Spolupráce WPT TU Dortmund se Shimadzu rozšířila o mezinárodní výměnné pobyty, mezinárodní referenční sítě a vývoj nových metod (RAPID – zrychlená identifikace únavových charakteristik s jedním multikrokovým testem).
• U vulkanizovaného papíru nalezena citlivost na rychlost deformace (E-modul 7→16 GPa při 1→1 000 mm/min) a relativní vlhkost (pokles modulů a pevnosti, zvýšení maximální deformace při 25→90 % RH), termické změny a ultrarychlé trhací děje trvající 0,3 ms.
• Instalace 10 MN únavového stroje umožnila testovat až 2,5 m průměrné kompozitní skořepiny pro raketové aplikace a panelové struktury tunelovacím profilem pro civilní letadla; podpora vývoje lehkých, vyztužených konstrukcí s analýzou lokálních podmínek.
• On-line SEC-MALDI-TOF MS systém detekoval minoritní homopolymery PnBMA a PMMA ve složitém kopolymeru se sekvenčním hmotnostním rozlišením 142 a 100 Da, což dokládá vysoké rozlišení a citlivost bez potřeby offline frakcionace.
• nSMOL přístup úspěšně identifikoval peptidové odpovídající CDR oblastem monoklonální protilátky ve spolupráci s Národním centrem pro rakovinu v Japonsku, otevírá cestu pro univerzální TDM LC–MS analýzu terapeutických protilátek.

Přínosy a praktické využití metody

• Metody a nástroje Shimadzu umožňují zkrácení vývojových cyklů materiálů, spolehlivou validaci konstrukční pevnosti a únavové odolnosti kompozitů v letectví a kosmonautice.
• Vysoce citlivé, automatizované SEC-MALDI a nSMOL proteolýzy zefektivňují analýzy polymerních přísad a bioterapeutik.
• Nové repertoáry aplikací (baterie, kosmetika, stavebnictví, elektrické komponenty) zvyšují kvalitu kontroly surovin a výrobků, zajišťují dodržování norem a optimalizují výrobní procesy.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Další rozvoj rychlých a on-line metod LC-MALDI, integrace high-throughput UHPLC-MS v regulované oblasti farmacie a biotechnologií.
• Vzestup Very High Cycle Fatigue (VHCF) testování s ultrazvukovými a magnetickými technikami pro tisk kompozitních materiálů a Additive Manufacturing.
• Rozšiřování sítí kolaborativních center pro vývoj metod v oblasti životního prostředí, potravinové bezpečnosti a toxikologie – sdílení instrumentů včetně 10 MN a špičkových MS systémů.
• Pokračující integrace robotizované a bezobslužné přípravy vzorků, inteligentní sledování přístrojů a vzdálená laboratoř na bázi IoT.

Závěr

Třetí číslo Shimadzu Journal se zaměřilo na materiálové vědy a položilo důraz na kolaborativní výzkum univerzitních a průmyslových partnerů. Představené příspěvky ilustrují komplexní přístup, od základních studií únavy materiálů přes mechanické a termografické analýzy vlivů vlhkosti a rychlosti deformace až po vysoce výkonné nástroje pro biopolymerovou a environmentální analytiku. Rozvoj instrumentace, jako je ultrarychlé kolísací stroje, on-line MALDI-MS a mikro-orientované proteolýzy, společně s globálními aplikačními centry, zvyšuje schopnost řešit náročné úlohy v kvalitativní i kvantitativní analýze a umožňuje efektivní transfer technologií z výzkumu do praxe.

Reference

• Walther F.: Microstructure-oriented fatigue assessment of construction materials and joints using short-time load increase procedure. MP Materials Testing 56, 7-8 (2014) 519–527.
• Frieling G.; Walther F.: Tensile and fatigue properties of Fiber-Bragg-Grating (FBG) Sensors. Sensors & Transducers 154, 7 (2013) 143–148.
• Peening B.; Walther F.; Dumke D.; Künne B.: Einfluss der Verformungsgeschwindigkeit und des Feuchtegehaltes auf das quasistatische Verformungsverhalten technischer Vulkanfiber. MP Materials Testing 55, 4 (2013) 276–284.
• Iwamoto N. et al.: Selective detection of complementarity-determining regions of monoclonal antibody by limiting protease access to the substrate: nano-surface and molecular-orientation limited proteolysis. Analyst 139 (2014) 576–580.