Sacar una pila de libros de la biblioteca es tan simple como buscar en el catálogo de la biblioteca y usar números de teléfono únicos para sacar cada libro de sus estantes. Usando un principio similar, Los científicos del Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias Científicas del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, se están asociando con la Universidad de Harvard y el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) para crear un este tipo de sistema automatizado para catalogar materiales bidimensionales (2-D) atómicamente delgados y apilarlos en estructuras en capas. Llamada Quantum Material Press, o QPress, este sistema acelerará el descubrimiento de materiales de próxima generación para el campo emergente de la ciencia de la información cuántica (QIS).

Las estructuras obtenidas apilando capas atómicas individuales ("copos") peladas de diferentes cristales a granel parentales son de interés debido a la exótica electrónica, magnético, y propiedades ópticas que surgen a escalas de tamaño tan pequeñas (cuánticas). Sin embargo, La exfoliación de escamas es actualmente un proceso manual que produce una variedad de tamaños de escamas, formas orientaciones, y número de capas. Los científicos utilizan microscopios ópticos de gran aumento para buscar manualmente a través de miles de copos y encontrar los deseados. y esta búsqueda a veces puede llevar días o incluso una semana, y es propenso al error humano.

Una vez que se han localizado escamas 2-D de alta calidad de diferentes cristales y se han caracterizado sus propiedades, se pueden ensamblar en el orden deseado para crear las estructuras en capas. El apilamiento requiere mucho tiempo, a menudo se tarda más de un mes en montar una estructura de una sola capa. Para determinar si las estructuras generadas son óptimas para las aplicaciones QIS, que van desde la informática y el cifrado hasta la detección y las comunicaciones, los científicos deben caracterizar las propiedades de las estructuras.

"Al hablar con nuestros colaboradores universitarios en Harvard y el MIT que sintetizan y estudian estas heteroestructuras en capas, Aprendimos que, si bien existen partes de la automatización, como el software para ubicar las escamas y los joysticks para manipular las escamas, no existe una solución completamente automatizada, "dijo el director de CFN Charles Black, el líder administrativo en el proyecto QPress.

La idea de QPress fue concebida a principios de 2018 por el profesor Amir Yacoby del Departamento de Física de Harvard. El concepto fue luego refinado a través de una colaboración entre Yacoby; Black y Kevin Yager, líder del Grupo de Nanomateriales Electrónicos CFN; Philip Kim, también del Departamento de Física de Harvard; y Pablo Jarillo-Herrero y Joseph Checkelsky, ambos del Departamento de Física del MIT.

Según Black, el papel único de CFN era claro:"Nos dimos cuenta de que construir un robot que pueda permitir el diseño, síntesis, y las pruebas de materiales cuánticos están muy bien adaptadas a las habilidades y la experiencia de los científicos del CFN. Como facilidad de usuario, CFN está destinado a ser un recurso para la comunidad científica, y QIS es una de nuestras áreas de crecimiento para las que estamos ampliando nuestras capacidades, programas científicos, y personal."

El grafeno impulsa la investigación de materiales 2-D

El interés por los materiales 2-D se remonta a 2004, cuando los científicos de la Universidad de Manchester aislaron el primer material 2-D del mundo, grafeno:una sola capa de átomos de carbono. Utilizaron una técnica sorprendentemente básica en la que colocaron un trozo de grafito (el material central de los lápices) en cinta adhesiva, doblando repetidamente la cinta por la mitad y despegándola para extraer copos cada vez más delgados. Luego, frotaron la cinta sobre una superficie plana para transferir las escamas. Bajo un microscopio óptico, las escamas de un átomo de espesor se pueden localizar por su reflectividad, apareciendo como puntos muy débiles. Reconocido con un premio Nobel en 2010, el descubrimiento del grafeno y sus propiedades inusuales, incluida su notable resistencia mecánica y conductividad eléctrica y térmica, ha llevado a los científicos a explorar otros materiales bidimensionales.

Muchos laboratorios continúan utilizando este laborioso enfoque para fabricar y encontrar escamas 2-D. Si bien el enfoque ha permitido a los científicos realizar varias mediciones sobre el grafeno, cientos de otros cristales, incluidos imanes, superconductores, y semiconductores:se pueden exfoliar de la misma manera que el grafito. Es más, Se pueden apilar diferentes escamas 2-D para construir materiales que nunca antes habían existido. Los científicos han descubierto muy recientemente que las propiedades de estas estructuras apiladas dependen no solo del orden de las capas, sino también del ángulo relativo entre los átomos en las capas. Por ejemplo, se puede ajustar un material de un estado metálico a uno aislante simplemente controlando este ángulo. Dada la amplia variedad de muestras que a los científicos les gustaría explorar y la naturaleza propensa a errores y lenta de los métodos de síntesis manual, Los enfoques automatizados son muy necesarios.

"Por último, Nos gustaría desarrollar un robot que proporcione una estructura apilada basada en las secuencias de escamas 2-D y las orientaciones de los cristales que los científicos seleccionan a través de una interfaz web para la máquina. "dijo Black." Si tiene éxito, QPress permitiría a los científicos dedicar su tiempo y energía a estudiar materiales, en lugar de hacerlos ".

Un enfoque modular

En septiembre de 2018, El DOE otorgó fondos para el desarrollo posterior de QPress, con un enfoque de dos partes. Un premio fue para el desarrollo de hardware QPress en Brookhaven, liderado por Black; Yager; Gregory Doerk, científicos de CFN, Aaron Stein, y Jerzy Sadowski; y el científico asociado de CFN, Young Jae Shin. El otro premio fue para un proyecto de investigación coordinado dirigido por Yacoby, Kim, Jarillo-Herrero, y Checkelsky. Los físicos de Harvard y del MIT utilizarán QPress para estudiar formas exóticas de superconductividad (la capacidad de ciertos materiales para conducir electricidad sin pérdida de energía a temperaturas muy bajas) que existen en la interfaz entre un superconductor y un imán. Algunos científicos creen que estos estados exóticos de la materia son clave para avanzar en la computación cuántica, que se espera que supere las capacidades de las supercomputadoras más potentes de la actualidad.

Una máquina automatizada totalmente integrada que consta de un exfoliante, un catalogador, una biblioteca, un apilador, y se espera un caracterizador en tres años. Sin embargo, Estos módulos estarán en línea por etapas para permitir el uso de QPress desde el principio.

El equipo ya ha hecho algunos progresos. Construyeron un prototipo de exfoliante que imita la acción de un humano pelando escamas de un cristal de grafito. El exfoliante presiona un sello de polímero en un cristal parental a granel y transfiere las escamas exfoliadas presionándolas sobre un sustrato. En su primer conjunto de experimentos, El equipo investigó cómo cambiar varios parámetros:presión de estampado, presionando el tiempo, número de pulsaciones repetidas, ángulo de prensado, y fuerza lateral aplicada durante la transferencia:impactan el proceso.

"Una de las ventajas de utilizar un robot es que, a diferencia de un humano, reproduce los mismos movimientos cada vez, y podemos optimizar estos movimientos para generar muchos copos grandes muy delgados, "explicó Yager." Por lo tanto, el exfoliante mejorará tanto la calidad como la cantidad de las escamas 2-D peladas de los cristales originales al refinar la velocidad, precisión, y repetibilidad del proceso ".

En colaboración con el profesor asistente de la Universidad de Stony Brook, Minh Hoai Nguyen del Departamento de Ciencias de la Computación y Ph.D. estudiante Boyu Wang del Laboratorio de Visión por Computadora, los científicos también están construyendo un catalogador de escamas. A través del software de análisis de imágenes, el catalogador escanea un sustrato y registra la ubicación de las escamas exfoliadas y sus propiedades.

"Los copos que interesan a los científicos son delgados y, por lo tanto, débiles, por lo que la inspección visual manual es un proceso laborioso y propenso a errores, ", dijo Nguyen." Estamos utilizando la visión por computadora de última generación y técnicas de aprendizaje profundo para desarrollar software que pueda automatizar este proceso con mayor precisión ".

"Nuestros colaboradores han dicho que un sistema capaz de mapear su muestra de escamas y mostrarles dónde se encuentran las escamas" buenas ", según lo determinado por los parámetros que definen, sería de gran ayuda para ellos, ", dijo Yager." Ahora tenemos esta capacidad y nos gustaría ponerla en uso ".

Finalmente, el equipo planea almacenar un gran conjunto de diferentes escamas catalogadas en los estantes, similar a los libros de una biblioteca. Luego, los científicos podrían acceder a esta biblioteca de materiales para seleccionar los copos que desean usar, y el QPress los recuperaría.

Según Black, el mayor desafío será la construcción del apilador, el módulo que recupera muestras de la biblioteca, "conduce" a las ubicaciones donde residen los copos seleccionados, y recoge los copos y los coloca en un proceso repetitivo para construir pilas de acuerdo con las instrucciones de montaje que los científicos programan en la máquina. Por último, a los científicos les gustaría que el apilador ensamblara las estructuras en capas no solo más rápido sino también con mayor precisión que los métodos manuales.

El módulo final del robot será un caracterizador de materiales, que proporcionará retroalimentación en tiempo real durante todo el proceso de síntesis. Por ejemplo, el caracterizador identificará la estructura cristalina y la orientación de las escamas exfoliadas y las estructuras en capas a través de la difracción de electrones de baja energía (LEED), una técnica en la que un haz de electrones de baja energía se dirige hacia la superficie de una muestra para producir un patrón de difracción característico de la geometría de la superficie.

"Hay muchos pasos para ofrecer una solución totalmente automatizada, ", dijo Black." Tenemos la intención de implementar las capacidades de QPress a medida que estén disponibles para maximizar el beneficio para la comunidad QIS ".