Possono essere necessari anni di lavoro di laboratorio mirato per determinare come realizzare materiali della massima qualità da utilizzare nei dispositivi elettronici e fotonici. I ricercatori hanno ora sviluppato un sistema autonomo in grado di identificare come sintetizzare materiali "migliori della categoria" per applicazioni specifiche in poche ore o giorni.
Il nuovo sistema, chiamato SmartDope, è stato sviluppato per affrontare una sfida di lunga data riguardante il miglioramento delle proprietà dei materiali chiamati punti quantici di perovskite tramite il "doping".
"Questi punti quantici drogati sono nanocristalli semiconduttori in cui sono state introdotte impurità specifiche in modo mirato, che alterano le loro proprietà ottiche e fisico-chimiche", spiega Milad Abolhasani, professore associato di ingegneria chimica presso la North Carolina State University e autore corrispondente dell'articolo "Smart Dope:A Self-Driving Fluidic Lab for Accelerated Development of Doped Perovskite Quantum Dots", pubblicato ad accesso aperto sulla rivista Advanced Energy Materials .
"Questi particolari punti quantici sono interessanti perché sono promettenti per i dispositivi fotovoltaici di prossima generazione e altri dispositivi fotonici e optoelettronici", afferma Abolhasani. "Ad esempio, potrebbero essere utilizzati per migliorare l'efficienza delle celle solari, perché possono assorbire lunghezze d'onda della luce UV che le celle solari non assorbono in modo efficiente e convertirle in lunghezze d'onda della luce che le celle solari sono molto efficienti nel convertire in elettricità. "
Tuttavia, sebbene questi materiali siano molto promettenti, c'è stata una sfida nello sviluppo di modi per sintetizzare punti quantici della massima qualità possibile al fine di massimizzare la loro efficienza nel convertire la luce UV nelle lunghezze d'onda della luce desiderate.
"Avevamo una domanda semplice", dice Abolhasani. "Qual è il miglior punto quantico drogato possibile per questa applicazione? Ma rispondere a questa domanda utilizzando tecniche convenzionali potrebbe richiedere 10 anni. Quindi, abbiamo sviluppato un laboratorio autonomo che ci consente di rispondere a questa domanda in poche ore."
Il sistema SmartDope è un laboratorio "a guida autonoma". Per iniziare, i ricercatori dicono a SmartDope con quali sostanze chimiche precursori lavorare e gli danno un obiettivo designato. L'obiettivo di questo studio era trovare il punto quantico di perovskite drogata con la più alta "resa quantica" o il rapporto più alto di fotoni che il punto quantico emette (come lunghezze d'onda della luce infrarossa o visibile) rispetto ai fotoni che assorbe (tramite luce UV ).
Una volta ricevute le informazioni iniziali, SmartDope inizia a eseguire gli esperimenti in modo autonomo. Gli esperimenti sono condotti in un reattore a flusso continuo che utilizza quantità estremamente piccole di sostanze chimiche per condurre rapidamente esperimenti di sintesi dei punti quantici mentre i precursori fluiscono attraverso il sistema e reagiscono tra loro.
Per ogni esperimento, SmartDope manipola una serie di variabili, quali:le quantità relative di ciascun materiale precursore; la temperatura alla quale mescola tali precursori; e la quantità di tempo di reazione fornita ogni volta che vengono aggiunti nuovi precursori. SmartDope caratterizza inoltre automaticamente le proprietà ottiche dei punti quantici prodotti da ciascun esperimento mentre lasciano il reattore a flusso.
"Mentre SmartDope raccoglie dati su ciascuno dei suoi esperimenti, utilizza l'apprendimento automatico per aggiornare la sua comprensione della chimica di sintesi dei punti quantici drogati e informare quale esperimento eseguire successivamente, con l'obiettivo di creare il miglior punto quantico possibile", afferma Abolhasani. "Il processo di sintesi automatizzata dei punti quantici in un reattore a flusso, caratterizzazione, aggiornamento del modello di apprendimento automatico e selezione dell'esperimento successivo è chiamato operazione a circuito chiuso."
Allora, quanto funziona SmartDope?
"Il record precedente per la resa quantica in questa classe di punti quantici drogati era del 130%, il che significa che il punto quantico emetteva 1,3 fotoni per ogni fotone assorbito", afferma Abolhasani. "Entro un giorno dall'esecuzione di SmartDope, abbiamo identificato un percorso per sintetizzare punti quantici drogati che hanno prodotto una resa quantica del 158%. Si tratta di un progresso significativo, che richiederebbe anni per essere trovato utilizzando le tecniche sperimentali tradizionali. Abbiamo trovato un metodo migliore della categoria soluzione per questo materiale in un giorno.
"Questo lavoro mostra la potenza dei laboratori a guida autonoma che utilizzano reattori a flusso per trovare rapidamente soluzioni nelle scienze chimiche e dei materiali", afferma Abolhasani. "Stiamo attualmente lavorando su alcuni modi interessanti per portare avanti questo lavoro e siamo anche aperti a collaborare con partner del settore."
Ulteriori informazioni: Fazel Bateni et al, Smart Dope:un laboratorio fluidico a guida autonoma per lo sviluppo accelerato di punti quantici di perovskite drogata, materiali energetici avanzati (2023). DOI:10.1002/aenm.202302303
Informazioni sul giornale: Materiali energetici avanzati
Fornito dalla North Carolina State University
