‘Laboratório autônomo’ desenterra os melhores pontos quânticos para dispositivos optoeletrônicos e fotônicos – Physics World

Um novo sistema de laboratório autônomo permitiu aos pesquisadores identificar os materiais de maior desempenho para determinadas aplicações em questão de horas ou dias, em comparação com anos usando técnicas convencionais de química úmida. O sistema, batizado de SmartDope e idealizado por pesquisadores nos EUA, também utiliza aprendizado de máquina para analisar os resultados dos experimentos. Segundo seus criadores, poderia acelerar o processo de descoberta e desenvolvimento de materiais avançados para dispositivos optoeletrônicos e fotônicos.

No desenvolvimento do SmartDope, uma equipe liderada por Universidade Estadual da Carolina do Norte Engenheiro Químico Milad Abolhasani focado em um desafio específico: como sintetizar os melhores pontos quânticos dopados da categoria. Esses nanocristais semicondutores contêm impurezas que foram deliberadamente introduzidas para modificar as propriedades ópticas e físico-químicas dos pontos, e mostram-se muito promissores para dispositivos fotovoltaicos da próxima geração. Os pontos quânticos dopados poderiam, por exemplo, melhorar a eficiência das células solares se fossem projetados para converter a abundante luz UV do Sol em comprimentos de onda que fossem absorvidos de forma mais eficiente por essas células, aumentando a conversão de energia da unidade.

O problema é que é um desafio sintetizar pontos quânticos com a altíssima qualidade necessária para tais aplicações. Identificar a melhor “receita” para o fazer utilizando técnicas convencionais poderia levar 10 anos de experiências laboratoriais específicas, explica Abolhasani. “Essa é a razão pela qual desenvolvemos nosso laboratório autônomo – para que pudéssemos fazer isso em questão de horas ou dias”, diz ele.

Um sistema de circuito fechado

O primeiro passo ao usar o SmartDope é fornecer ao sistema precursores químicos e definir um objetivo. Um exemplo pode ser encontrar os pontos quânticos de perovskita dopada com o maior rendimento quântico - ou seja, aquele que produz o maior número de fótons emitidos por fóton absorvido. O sistema irá então executar os experimentos de forma autônoma em um reator de fluxo contínuo, manipulando variáveis ​​como quantidades de precursor, temperaturas de reação e tempos de reação. Também caracteriza as propriedades ópticas dos pontos quânticos produzidos automaticamente por cada experimento, à medida que os pontos quânticos saem do reator de fluxo.

O sistema então usa aprendizado de máquina para analisar os resultados. No processo, ele atualiza seu entendimento da química de síntese e seleciona qual experimento executar em seguida para otimizar as propriedades ópticas dos pontos quânticos. Esta chamada operação de circuito fechado permite que o SmartDope identifique rapidamente o melhor ponto quântico possível.

No trabalho, que Abolhasani e colegas descrevem em Materiais de energia avançados, eles estudaram a melhor maneira de fazer pontos quânticos de perovskita de haleto de chumbo dopado com cátions metálicos. Mais especificamente, eles analisaram a dopagem multicátion de CsPbCl₃ pontos quânticos usando um processo de síntese de alta temperatura “one-pot”.

Graças ao SmartDope, os pesquisadores conseguiram identificar, em apenas um dia de execução autônoma de seus experimentos, a melhor receita para fazer pontos quânticos dopados que produzissem um rendimento quântico de fotoluminescência de 158% — ou seja, os pontos quânticos emitiram uma média de 1.58. fótons para cada fóton que eles absorveram. O recorde anterior nesta classe de materiais é de 130%.

“As implicações para este trabalho são profundas”, diz Abolhasani Mundo da física, “especialmente para energias renováveis. A capacidade do SmartDope de identificar e otimizar rapidamente materiais funcionais avançados para aplicações como dispositivos fotovoltaicos de próxima geração abre novas possibilidades para melhorar a eficiência de células solares, por exemplo.”

Os investigadores estão agora a refinar ainda mais o seu sistema, com o objetivo de “explorar novos materiais e expandir as suas capacidades físicas e digitais para enfrentar uma gama mais ampla de desafios nas ciências químicas e de materiais”, diz Albohasani. “Também estamos considerando ativamente a colaboração com parceiros da indústria para implementar o SmartDope em ambientes reais”, revela ele. “Nosso objetivo é continuar aproveitando o poder dos laboratórios autônomos para impulsionar rápidos avanços nas ciências químicas e de materiais.”

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/autonomous-laboratory-unearths-the-best-quantum-dots-for-optoelectronic-and-photonic-devices/