Un laboratoire autonome découvre le meilleur point quantique de sa catégorie en quelques heures. Cela aurait pris des années aux humains

Cela peut prendre des années de travail ciblé en laboratoire pour déterminer comment fabriquer des matériaux de la plus haute qualité destinés à être utilisés dans les appareils électroniques et photoniques. Les chercheurs ont désormais développé un système autonome capable d’identifier comment synthétiser les matériaux « les meilleurs de leur catégorie » pour des applications spécifiques en quelques heures ou jours.

Le nouveau système, appelé SmartDope, a été développé pour relever un défi de longue date concernant l’amélioration des propriétés de matériaux appelés points quantiques de pérovskite via le « dopage ».

“Ces points quantiques dopés sont des nanocristaux semi-conducteurs dans lesquels vous avez introduit des impuretés spécifiques de manière ciblée, ce qui modifie leurs propriétés optiques et physicochimiques”, explique Milad Abolhasani, professeur agrégé de génie chimique à la North Carolina State University et auteur correspondant de l’article. « Smart Dope : A Self-Driving Fluidic Lab for Accelerated Development of Doped Perovskite Quantum Dots », publié en libre accès dans la revue Matériaux énergétiques avancés.

“Ces points quantiques particuliers sont intéressants car ils sont prometteurs pour les dispositifs photovoltaïques de nouvelle génération et d’autres dispositifs photoniques et optoélectroniques”, explique Abolhasani. “Par exemple, ils pourraient être utilisés pour améliorer l’efficacité des cellules solaires, car ils peuvent absorber des longueurs d’onde de lumière UV que les cellules solaires n’absorbent pas efficacement et les convertir en longueurs d’onde de lumière que les cellules solaires sont très efficaces pour convertir en électricité. ”

Cependant, bien que ces matériaux soient très prometteurs, il a été difficile de développer des moyens de synthétiser des points quantiques de la plus haute qualité possible afin de maximiser leur efficacité dans la conversion de la lumière UV en longueurs d’onde de lumière souhaitées.

“Nous avions une question simple”, explique Abolhasani. “Quel est le meilleur point quantique dopé possible pour cette application ? Mais répondre à cette question à l’aide de techniques conventionnelles pourrait prendre 10 ans. Nous avons donc développé un laboratoire autonome qui nous permet de répondre à cette question en quelques heures.”

Le système SmartDope est un laboratoire « autonome ». Pour commencer, les chercheurs indiquent à SmartDope avec quels précurseurs chimiques travailler et lui donnent un objectif désigné. Le but de cette étude était de trouver le point quantique de pérovskite dopé avec le « rendement quantique » le plus élevé, ou le rapport le plus élevé de photons émis par le point quantique (sous forme de longueurs d’onde infrarouges ou visibles de la lumière) par rapport aux photons qu’il absorbe (via la lumière UV). ).

Une fois ces premières informations reçues, SmartDope commence à mener des expériences de manière autonome. Les expériences sont menées dans un réacteur à flux continu qui utilise des quantités extrêmement faibles de produits chimiques pour mener rapidement des expériences de synthèse de points quantiques à mesure que les précurseurs circulent dans le système et réagissent les uns avec les autres.

Pour chaque expérience, SmartDope manipule une suite de variables, telles que : les quantités relatives de chaque matériau précurseur ; la température à laquelle il mélange ces précurseurs ; et le temps de réaction accordé chaque fois que de nouveaux précurseurs sont ajoutés. SmartDope caractérise également automatiquement les propriétés optiques des points quantiques produits par chaque expérience lorsqu’ils quittent le réacteur à flux.

“Alors que SmartDope collecte des données sur chacune de ses expériences, il utilise l’apprentissage automatique pour mettre à jour sa compréhension de la chimie de synthèse des points quantiques dopés et déterminer quelle expérience exécuter ensuite, dans le but de créer le meilleur point quantique possible”, explique Abolhasani. “Le processus de synthèse automatisée de points quantiques dans un réacteur à flux, de caractérisation, de mise à jour du modèle d’apprentissage automatique et de sélection de la prochaine expérience est appelé fonctionnement en boucle fermée.”

Alors, dans quelle mesure SmartDope fonctionne-t-il ?

“Le précédent record de rendement quantique dans cette classe de points quantiques dopés était de 130 %, ce qui signifie que le point quantique émettait 1,3 photon pour chaque photon absorbé”, explique Abolhasani. “Un jour après l’exécution de SmartDope, nous avons identifié une voie permettant de synthétiser des points quantiques dopés qui produisait un rendement quantique de 158 %. Il s’agit d’une avancée significative, qui prendrait des années à trouver en utilisant des techniques expérimentales traditionnelles. Nous avons trouvé le meilleur de sa catégorie. solution pour ce matériau en une journée.

“Ce travail met en valeur la puissance des laboratoires autonomes utilisant des réacteurs à flux pour trouver rapidement des solutions en sciences chimiques et des matériaux”, explique Abolhasani. “Nous travaillons actuellement sur des moyens passionnants de faire avancer ce travail et sommes également ouverts à travailler avec des partenaires industriels.”