Το «Αυτόνομο εργαστήριο» ανακαλύπτει τις καλύτερες κβαντικές κουκκίδες για οπτοηλεκτρονικές και φωτονικές συσκευές – Physics World

Ένα νέο αυτόνομο εργαστηριακό σύστημα έδωσε τη δυνατότητα στους ερευνητές να εντοπίσουν τα υλικά με την υψηλότερη απόδοση για ορισμένες εφαρμογές μέσα σε λίγες ώρες ή ημέρες, σε σύγκριση με χρόνια που χρησιμοποιούν συμβατικές τεχνικές υγρής χημείας. Το σύστημα, που ονομάστηκε SmartDope και επινοήθηκε από ερευνητές στις ΗΠΑ, χρησιμοποιεί επίσης μηχανική μάθηση για να αναλύσει τα αποτελέσματα των πειραμάτων. Σύμφωνα με τους δημιουργούς του, θα μπορούσε να επιταχύνει τη διαδικασία ανακάλυψης και ανάπτυξης προηγμένων υλικών για συσκευές οπτοηλεκτρονικής και φωτονικής.

Στην ανάπτυξη του SmartDope, μια ομάδα με επικεφαλής τον Πανεπιστήμιο της Βόρειας Καρολίνας ΧΗΜΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Milad Abolhasani επικεντρώθηκαν σε μια συγκεκριμένη πρόκληση: πώς να συνθέσουν τις καλύτερες στην κατηγορία τους ντοπαρισμένες κβαντικές κουκκίδες. Αυτοί οι ημιαγωγοί νανοκρύσταλλοι περιέχουν ακαθαρσίες που έχουν εισαχθεί σκόπιμα για να τροποποιήσουν τις οπτικές και φυσικοχημικές ιδιότητες των κουκκίδων και δείχνουν πολλά υποσχόμενα για φωτοβολταϊκές συσκευές επόμενης γενιάς. Οι ντοπαρισμένες κβαντικές κουκκίδες θα μπορούσαν, για παράδειγμα, να βελτιώσουν την απόδοση των ηλιακών κυψελών εάν είχαν σχεδιαστεί για να μετατρέπουν το άφθονο υπεριώδες φως του Ήλιου σε μήκη κύματος που απορροφώνται πιο αποτελεσματικά από αυτά τα κύτταρα, ενισχύοντας την ενεργειακή μετατροπή της μονάδας.

Το πρόβλημα είναι ότι είναι δύσκολο να συνθέσουμε κβαντικές κουκκίδες με την πολύ υψηλή ποιότητα που απαιτείται για τέτοιες εφαρμογές. Ο εντοπισμός της καλύτερης «συνταγής» για να γίνει αυτό χρησιμοποιώντας συμβατικές τεχνικές θα μπορούσε να πάρει 10 χρόνια εστιασμένων εργαστηριακών πειραμάτων, εξηγεί ο Abolhasani. «Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο αναπτύξαμε το αυτόνομο εργαστήριό μας – ώστε να μπορούμε να το κάνουμε αυτό σε λίγες μόνο ώρες ή ημέρες», λέει.

Σύστημα κλειστού βρόχου

Το πρώτο βήμα όταν χρησιμοποιείτε το SmartDope είναι να παρέχετε στο σύστημα πρόδρομες χημικές ουσίες και να του δώσετε έναν στόχο. Ένα παράδειγμα θα μπορούσε να είναι η εύρεση των κβαντικών κουκκίδων με πρόσμειξη περοβσκίτη με την υψηλότερη κβαντική απόδοση – δηλαδή, αυτή που παράγει τον μεγαλύτερο αριθμό φωτονίων που εκπέμπονται ανά φωτόνιο που απορροφάται. Στη συνέχεια, το σύστημα θα εκτελέσει τα πειράματα αυτόνομα σε έναν αντιδραστήρα συνεχούς ροής, χειριζόμενος μεταβλητές όπως οι ποσότητες προδρόμων, οι θερμοκρασίες αντίδρασης και οι χρόνοι αντίδρασης. Επίσης, χαρακτηρίζει τις οπτικές ιδιότητες των κβαντικών κουκκίδων που παράγονται από κάθε πείραμα αυτόματα, καθώς οι κβαντικές κουκκίδες φεύγουν από τον αντιδραστήρα ροής.

Στη συνέχεια, το σύστημα χρησιμοποιεί μηχανική μάθηση για να αναλύσει τα αποτελέσματα. Στη διαδικασία, ενημερώνει την κατανόησή του για τη χημεία σύνθεσης και επιλέγει ποιο πείραμα θα εκτελεστεί για να βελτιστοποιήσει τις οπτικές ιδιότητες των κβαντικών κουκκίδων. Αυτή η λεγόμενη λειτουργία κλειστού βρόχου επιτρέπει στο SmartDope να εντοπίζει γρήγορα την καλύτερη δυνατή κβαντική κουκκίδα.

Στο έργο, το οποίο περιγράφουν ο Abolhasani και οι συνεργάτες του Προηγμένα ενεργειακά υλικά, μελέτησαν τον καλύτερο τρόπο για να φτιάξουν κβαντικές κουκκίδες περοβσκίτη αλογονιδίου μολύβδου με πρόσμειξη μεταλλικών κατιόντων. Πιο συγκεκριμένα, ανέλυσαν το πολυκατιοντικό ντόπινγκ του CsPbCl₃ κβαντικές κουκκίδες που χρησιμοποιούν μια διαδικασία σύνθεσης υψηλής θερμοκρασίας «one-pot».

Χάρη στο SmartDope, οι ερευνητές μπόρεσαν να εντοπίσουν, σε μία μόνο ημέρα αυτόνομης εκτέλεσης των πειραμάτων τους, την καλύτερη συνταγή για τη δημιουργία ντοπαρισμένων κβαντικών κουκκίδων που παρήγαγαν κβαντική απόδοση φωτοφωταύγειας 158% — δηλαδή, οι κβαντικές κουκκίδες εξέπεμπαν κατά μέσο όρο 1.58 φωτόνια για κάθε φωτόνιο που απορρόφησαν. Το προηγούμενο ρεκόρ σε αυτή την κατηγορία υλικών είναι 130%.

«Οι συνέπειες για αυτό το έργο είναι βαθιές», λέει ο Abolhasani Κόσμος Φυσικής, «ειδικά για τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Η ικανότητα του SmartDope να εντοπίζει και να βελτιστοποιεί γρήγορα προηγμένα λειτουργικά υλικά για εφαρμογές όπως οι φωτοβολταϊκές συσκευές επόμενης γενιάς ανοίγει νέες δυνατότητες για τη βελτίωση της απόδοσης των ηλιακών κυψελών, για παράδειγμα».

Οι ερευνητές τώρα τελειοποιούν περαιτέρω το σύστημά τους, με στόχο «να εξερευνήσουν νέα υλικά και να επεκτείνουν τις φυσικές και ψηφιακές δυνατότητές του για να αντιμετωπίσουν ένα ευρύτερο φάσμα προκλήσεων στις χημικές και επιστήμες των υλικών», λέει ο Albohasani. «Επίσης, εξετάζουμε ενεργά τη συνεργασία με εταίρους του κλάδου για την εφαρμογή του SmartDope σε πραγματικές ρυθμίσεις», αποκαλύπτει. «Στόχος μας είναι να συνεχίσουμε να αξιοποιούμε τη δύναμη των αυτόνομων εργαστηρίων για την ταχεία πρόοδο στις επιστήμες των χημικών και των υλικών».

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/autonomous-laboratory-unearths-the-best-quantum-dots-for-optoelectronic-and-photonic-devices/