Puede llevar años de trabajo de laboratorio concentrado determinar cómo fabricar materiales de la más alta calidad para su uso en dispositivos electrónicos y fotónicos. Los investigadores ahora han desarrollado un sistema autónomo que puede identificar cómo sintetizar materiales "mejores en su clase" para aplicaciones específicas en horas o días.

El nuevo sistema, llamado SmartDope, fue desarrollado para abordar un desafío de larga data relacionado con la mejora de las propiedades de materiales llamados puntos cuánticos de perovskita mediante "dopaje".

"Estos puntos cuánticos dopados son nanocristales semiconductores a los que se les han introducido impurezas específicas de forma selectiva, lo que altera sus propiedades ópticas y fisicoquímicas", explica Milad Abolhasani, profesor asociado de ingeniería química en la Universidad Estatal de Carolina del Norte y autor correspondiente del artículo. "Smart Dope:un laboratorio de fluidos autónomo para el desarrollo acelerado de puntos cuánticos de perovskita dopada", publicado en acceso abierto en la revista Advanced Energy Materials .

"Estos puntos cuánticos en particular son interesantes porque son prometedores para los dispositivos fotovoltaicos de próxima generación y otros dispositivos fotónicos y optoelectrónicos", dice Abolhasani. "Por ejemplo, podrían usarse para mejorar la eficiencia de las células solares, porque pueden absorber longitudes de onda de luz ultravioleta que las células solares no absorben eficientemente y convertirlas en longitudes de onda de luz que las células solares son muy eficientes para convertir en electricidad. "

Sin embargo, si bien estos materiales son muy prometedores, ha habido un desafío en el desarrollo de formas de sintetizar puntos cuánticos de la más alta calidad posible para maximizar su eficiencia a la hora de convertir la luz ultravioleta en las longitudes de onda de luz deseadas.

"Teníamos una pregunta sencilla", dice Abolhasani. "¿Cuál es el mejor punto cuántico dopado posible para esta aplicación? Pero responder esa pregunta usando técnicas convencionales podría llevar 10 años. Por eso, desarrollamos un laboratorio autónomo que nos permite responder esa pregunta en horas".

El sistema SmartDope es un laboratorio "autónomo". Para empezar, los investigadores le dicen a SmartDope con qué químicos precursores trabajar y le asignan un objetivo designado. El objetivo de este estudio era encontrar el punto cuántico de perovskita dopada con el mayor "rendimiento cuántico", o la mayor proporción de fotones que el punto cuántico emite (como longitudes de onda de luz infrarroja o visible) en relación con los fotones que absorbe (a través de la luz ultravioleta). ).

Una vez recibida esa información inicial, SmartDope comienza a realizar experimentos de forma autónoma. Los experimentos se llevan a cabo en un reactor de flujo continuo que utiliza cantidades extremadamente pequeñas de productos químicos para realizar experimentos de síntesis de puntos cuánticos rápidamente a medida que los precursores fluyen a través del sistema y reaccionan entre sí.

Para cada experimento, SmartDope manipula un conjunto de variables, tales como:las cantidades relativas de cada material precursor; la temperatura a la que se mezclan esos precursores; y la cantidad de tiempo de reacción dado cada vez que se añaden nuevos precursores. SmartDope también caracteriza automáticamente las propiedades ópticas de los puntos cuánticos producidos por cada experimento cuando salen del reactor de flujo.

"A medida que SmartDope recopila datos sobre cada uno de sus experimentos, utiliza el aprendizaje automático para actualizar su comprensión de la química de síntesis de puntos cuánticos dopados e informar qué experimento ejecutar a continuación, con el objetivo de crear el mejor punto cuántico posible", dice Abolhasani. "El proceso de síntesis automatizada de puntos cuánticos en un reactor de flujo, caracterización, actualización del modelo de aprendizaje automático y selección del siguiente experimento se denomina operación de circuito cerrado".

Entonces, ¿qué tan bien funciona SmartDope?

"El récord anterior de rendimiento cuántico en esta clase de puntos cuánticos dopados fue del 130%, lo que significa que el punto cuántico emitió 1,3 fotones por cada fotón que absorbió", dice Abolhasani. "Un día después de ejecutar SmartDope, identificamos una ruta para sintetizar puntos cuánticos dopados que produjo un rendimiento cuántico del 158%. Se trata de un avance significativo, que llevaría años encontrar utilizando técnicas experimentales tradicionales. Encontramos el mejor de su clase. solución para este material en un día.

"Este trabajo muestra el poder de los laboratorios autónomos que utilizan reactores de flujo para encontrar rápidamente soluciones en ciencias químicas y de materiales", dice Abolhasani. "Actualmente estamos trabajando en algunas formas interesantes de hacer avanzar este trabajo y también estamos abiertos a trabajar con socios de la industria".

Más información: Fazel Bateni et al, Smart Dope:un laboratorio de fluidos autónomo para el desarrollo acelerado de puntos cuánticos de perovskita dopada, materiales energéticos avanzados (2023). DOI:10.1002/aenm.202302303

Información de la revista: Materiales Energéticos Avanzados

Proporcionado por la Universidad Estatal de Carolina del Norte