Pode levar anos de trabalho de laboratório focado para determinar como fabricar materiais da mais alta qualidade para uso em dispositivos eletrônicos e fotônicos. Os pesquisadores desenvolveram agora um sistema autônomo que pode identificar como sintetizar os “melhores materiais” da categoria para aplicações específicas em horas ou dias.



O novo sistema, chamado SmartDope, foi desenvolvido para enfrentar um desafio de longa data relacionado ao aprimoramento das propriedades de materiais chamados pontos quânticos de perovskita por meio de “doping”.

“Esses pontos quânticos dopados são nanocristais semicondutores nos quais você introduziu impurezas específicas de maneira direcionada, o que altera suas propriedades ópticas e físico-químicas”, explica Milad Abolhasani, professor associado de engenharia química na Universidade Estadual da Carolina do Norte e autor correspondente do artigo. "Smart Dope:A Self-Driving Fluidic Lab for Accelerated Development of Doped Perovskite Quantum Dots", publicado em acesso aberto na revista Advanced Energy Materials .

“Esses pontos quânticos específicos são interessantes porque são promissores para dispositivos fotovoltaicos de próxima geração e outros dispositivos fotônicos e optoeletrônicos”, diz Abolhasani. "Por exemplo, eles poderiam ser usados ​​para melhorar a eficiência das células solares, porque podem absorver comprimentos de onda de luz UV que as células solares não absorvem de forma eficiente e convertê-los em comprimentos de onda de luz que as células solares são muito eficientes em converter em eletricidade. "

No entanto, embora estes materiais sejam muito promissores, tem havido um desafio no desenvolvimento de formas de sintetizar pontos quânticos da mais alta qualidade possível, a fim de maximizar a sua eficiência na conversão da luz UV nos comprimentos de onda de luz desejados.

“Tínhamos uma pergunta simples”, diz Abolhasani. "Qual é o melhor ponto quântico dopado possível para esta aplicação? Mas responder a essa pergunta usando técnicas convencionais pode levar 10 anos. Então, desenvolvemos um laboratório autônomo que nos permite responder a essa pergunta em horas."

O sistema SmartDope é um laboratório “autônomo”. Para começar, os pesquisadores dizem ao SmartDope quais produtos químicos precursores devem ser trabalhados e atribuem um objetivo designado. O objetivo neste estudo foi encontrar o ponto quântico de perovskita dopada com o maior "rendimento quântico", ou a maior proporção de fótons que o ponto quântico emite (como comprimentos de onda de luz infravermelho ou visível) em relação aos fótons que absorve (via luz UV). ).

Depois de receber as informações iniciais, o SmartDope começa a realizar experimentos de forma autônoma. Os experimentos são conduzidos em um reator de fluxo contínuo que usa quantidades extremamente pequenas de produtos químicos para conduzir experimentos de síntese de pontos quânticos rapidamente à medida que os precursores fluem através do sistema e reagem entre si.

Para cada experimento, o SmartDope manipula um conjunto de variáveis, tais como:as quantidades relativas de cada material precursor; a temperatura à qual mistura esses precursores; e a quantidade de tempo de reação dada sempre que novos precursores são adicionados. O SmartDope também caracteriza as propriedades ópticas dos pontos quânticos produzidos por cada experimento automaticamente à medida que saem do reator de fluxo.

“À medida que o SmartDope coleta dados em cada um de seus experimentos, ele usa aprendizado de máquina para atualizar seu entendimento da química de síntese de pontos quânticos dopados e informar qual experimento será executado em seguida, com o objetivo de criar o melhor ponto quântico possível”, diz Abolhasani. "O processo de síntese automatizada de pontos quânticos em um reator de fluxo, caracterização, atualização do modelo de aprendizado de máquina e seleção do próximo experimento é chamado de operação em circuito fechado."

Então, quão bem o SmartDope funciona?

“O recorde anterior de rendimento quântico nesta classe de pontos quânticos dopados era de 130% – o que significa que o ponto quântico emitia 1,3 fótons para cada fóton absorvido”, diz Abolhasani. "Um dia após a execução do SmartDope, identificamos uma rota para sintetizar pontos quânticos dopados que produziu um rendimento quântico de 158%. Esse é um avanço significativo, que levaria anos para ser descoberto usando técnicas experimentais tradicionais. Encontramos o melhor da categoria. solução para este material em um dia.

“Este trabalho mostra o poder dos laboratórios autônomos que usam reatores de fluxo para encontrar rapidamente soluções em ciências químicas e de materiais”, diz Abolhasani. "Atualmente estamos trabalhando em algumas maneiras interessantes de levar esse trabalho adiante e também estamos abertos a trabalhar com parceiros da indústria."

Mais informações: Fazel Bateni et al, Smart Dope:A Self-Driving Fluidic Lab for Accelerated Development of Doped Perovskite Quantum Dots, Materiais de Energia Avançados (2023). DOI:10.1002/aenm.202302303
Informações do diário: Materiais Energéticos Avançados

Fornecido pela Universidade Estadual da Carolina do Norte