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| Ilustración esquemática del hardware modular de Smart Dope, incluidos los módulos de suministro de fluidos, X2-X9, formulación y reacción, caracterización in situ, controlador de temperatura, X1, y control de presión. Crédito: Advanced Energy Materials (2023). DOI: 10.1002/aenm.202302303 |
Investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte (NCSU) han desarrollado un laboratorio autónomo llamado SmartDope que ayuda a descubrir nuevos materiales para aplicaciones como la fotónica en cuestión de horas y no de años, según un comunicado de prensa de la universidad.
Con los avances tecnológicos, los investigadores buscan nuevos materiales que puedan ofrecer una gran eficiencia. Algunos de estos materiales pueden encontrarse en la naturaleza, pero se está intentando sintetizarlos en laboratorios.
Para los dispositivos electrónicos y fotónicos, los investigadores han estado utilizando perovskitas, el mismo material que está ayudando a mejorar las células fotovoltaicas, e introduciendo sus nanocristales de forma que se mejoren las propiedades ópticas y fisicoquímicas del semiconductor. Este enfoque se denomina dopaje y el material de perovskita utilizado se llama puntos cuánticos.
El sistema SmartDope es un laboratorio "autodirigido". Para empezar, los investigadores indican a SmartDope con qué precursores químicos debe trabajar y le asignan un objetivo. En este estudio, el objetivo era encontrar el punto cuántico de perovskita dopado con el mayor "rendimiento cuántico", es decir, la mayor proporción de fotones que emite el punto cuántico (en longitudes de onda infrarrojas o visibles) 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 por el sistema y reaccionan entre sí.
Para cada experimento, SmartDope manipula un conjunto de variables, como: las cantidades relativas de cada material precursor; la temperatura a la que mezcla esos precursores; y la cantidad de tiempo de reacción que se da cada vez que se añaden nuevos precursores. SmartDope también caracteriza automáticamente las propiedades ópticas de los puntos cuánticos producidos por cada experimento a medida que 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 sobre qué experimento realizar a continuación, con el objetivo de fabricar el mejor punto cuántico posible", afirma 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 funcionamiento en bucle cerrado".
"El récord anterior de rendimiento cuántico en esta clase de puntos cuánticos dopados era del 130%, lo que significa que el punto cuántico emitía 1,3 fotones por cada fotón que absorbía", explica Abolhasani. "Un día después de ejecutar SmartDope, identificamos una ruta para sintetizar puntos cuánticos dopados que producían un rendimiento cuántico del 158%. Se trata de un avance significativo que tardaría años en conseguirse con las técnicas experimentales tradicionales. En un día encontramos la mejor solución de su clase para este material".
"Este trabajo demuestra la capacidad de los laboratorios autodirigidos que utilizan reactores de flujo para encontrar rápidamente soluciones en las ciencias químicas y de materiales", afirma Abolhasani. "Actualmente estamos trabajando en algunas formas emocionantes de avanzar en este trabajo y también estamos abiertos a trabajar con socios de la industria".
Fuentes, créditos y referencias: