Un nuevo sistema de laboratorio autónomo ha permitido a los investigadores identificar los materiales de mayor rendimiento para determinadas aplicaciones en cuestión de horas o días, en comparación con años utilizando técnicas convencionales de química húmeda. El sistema, denominado SmartDope e ideado por investigadores estadounidenses, también utiliza el aprendizaje automático para analizar los resultados de los experimentos. Según sus creadores, podría acelerar el proceso de descubrimiento y desarrollo de materiales avanzados para dispositivos optoelectrónicos y fotónicos.
En el desarrollo de SmartDope, un equipo dirigido por Universidad Estatal de Carolina del Norte ingeniero químico Milad Abolhasani se centró en un desafío específico: cómo sintetizar los mejores puntos cuánticos dopados de su clase. Estos nanocristales semiconductores contienen impurezas que se han introducido deliberadamente para modificar las propiedades ópticas y fisicoquímicas de los puntos, y son muy prometedores para los dispositivos fotovoltaicos de próxima generación. Los puntos cuánticos dopados podrían, por ejemplo, mejorar la eficiencia de las células solares si estuvieran diseñadas para convertir la abundante luz ultravioleta del Sol en longitudes de onda que estas células absorbieran más eficientemente, mejorando la conversión de energía de la unidad.
El problema es que resulta complicado sintetizar puntos cuánticos con la altísima calidad necesaria para este tipo de aplicaciones. Identificar la mejor “receta” para hacerlo utilizando técnicas convencionales podría llevar 10 años de experimentos de laboratorio específicos, explica Abolhasani. "Ésta es la razón por la que desarrollamos nuestro laboratorio autónomo, para poder hacerlo en cuestión de horas o días", afirma.
Un sistema de circuito cerrado
El primer paso al utilizar SmartDope es proporcionar al sistema productos químicos precursores y darle un objetivo. Un ejemplo podría ser encontrar los puntos cuánticos de perovskita dopada con el mayor rendimiento cuántico, es decir, el que produce la mayor cantidad de fotones emitidos por fotón absorbido. Luego, el sistema ejecutará los experimentos de forma autónoma en un reactor de flujo continuo, manipulando variables como cantidades de precursores, temperaturas de reacción y tiempos de reacción. También caracteriza las propiedades ópticas de los puntos cuánticos producidos por cada experimento de forma automática, a medida que los puntos cuánticos salen del reactor de flujo.
Luego, el sistema utiliza el aprendizaje automático para analizar los resultados. En el proceso, actualiza su comprensión de la química de síntesis y selecciona qué experimento ejecutar a continuación para optimizar las propiedades ópticas de los puntos cuánticos. Esta operación denominada de circuito cerrado permite a SmartDope identificar rápidamente el mejor punto cuántico posible.
En el trabajo, que Abolhasani y sus colegas describen en Materiales energéticos avanzados, El equipo estudió la mejor manera de producir puntos cuánticos de perovskita de haluro de plomo dopado con cationes metálicos. Más concretamente, analizaron el dopaje multicatiónico de CsPbCl3 puntos cuánticos utilizando un proceso de síntesis de alta temperatura de "un solo recipiente".
Gracias a SmartDope, los investigadores pudieron identificar, en tan solo un día de realizar sus experimentos de forma autónoma, la mejor receta para crear puntos cuánticos dopados que produjeron un rendimiento cuántico de fotoluminiscencia del 158%, es decir, los puntos cuánticos emitieron un promedio de 1.58. fotones por cada fotón que absorbieron. El récord anterior en esta clase de materiales es del 130%.
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"Las implicaciones para este trabajo son profundas", dice Abolhasani. Mundo de la física, “especialmente para las energías renovables. La capacidad de SmartDope para identificar y optimizar rápidamente materiales funcionales avanzados para aplicaciones como dispositivos fotovoltaicos de próxima generación abre nuevas posibilidades para mejorar la eficiencia de las células solares, por ejemplo”.
Los investigadores ahora están perfeccionando aún más su sistema, con el objetivo de "explorar nuevos materiales y ampliar sus capacidades físicas y digitales para abordar una gama más amplia de desafíos en las ciencias químicas y de materiales", dice Albohasani. "También estamos considerando activamente la colaboración con socios de la industria para implementar SmartDope en entornos del mundo real", revela. "Nuestro objetivo es seguir aprovechando el poder de los laboratorios autónomos para impulsar avances rápidos en las ciencias químicas y de materiales".
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- Fuente: https://physicsworld.com/a/autonomous-laboratory-unearths-the-best-quantum-dots-for-optoelectronic-and-photonic-devices/
