Un laboratoire « autonome » accélère la recherche et la synthèse de matériaux énergétiques


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  • Des chercheurs de l’Université d’État de Caroline du Nord et de l’Université de Buffalo ont développé et démontré un «laboratoire autonome» qui utilise l’intelligence artificielle (IA) et des systèmes fluidiques pour faire progresser notre compréhension des nanocristaux de pérovskite aux halogénures métalliques (MHP). Ce laboratoire autonome peut également être utilisé pour étudier un large éventail d’autres nanomatériaux semi-conducteurs et métalliques.

    « Nous avons créé un laboratoire autonome qui peut être utilisé pour faire progresser à la fois les nanosciences fondamentales et l’ingénierie appliquée », déclare Milad Abolhasani, auteur correspondant d’un article sur les travaux et professeur agrégé d’ingénierie chimique et bimoléculaire à NC State.

    Pour leurs démonstrations de preuve de concept, les chercheurs se sont concentrés sur les nanocristaux de pérovskite (MHP) aux halogénures métalliques entièrement inorganiques, l’halogénure de plomb au césium (CsPbX3, X = Cl, Br). Les nanocristaux MHP sont une classe émergente de matériaux semi-conducteurs qui, en raison de leur aptitude au traitement en solution et de leurs propriétés uniques de taille et de composition ajustables, sont considérés comme ayant un potentiel d’utilisation dans les dispositifs photoniques imprimés et les technologies énergétiques. Par exemple, les nanocristaux MHP sont des matériaux optiquement actifs très efficaces et sont à l’étude pour une utilisation dans les LED de nouvelle génération. Et parce qu’ils peuvent être fabriqués à l’aide d’un traitement de solution, ils ont le potentiel d’être fabriqués de manière rentable.

    Les matériaux traités en solution sont des matériaux fabriqués à l’aide de précurseurs chimiques liquides, y compris des matériaux de grande valeur tels que des points quantiques, des nanoparticules de métal/oxyde métallique et des structures organométalliques.

    Cependant, les nanocristaux MHP ne sont pas encore utilisés industriellement.

    « En partie, c’est parce que nous développons toujours une meilleure compréhension de la façon de synthétiser ces nanocristaux afin de concevoir toutes les propriétés associées aux MHP », explique Abolhasani. « Et, en partie, parce que leur synthèse nécessite un degré de précision qui a empêché la fabrication à grande échelle d’être rentable. Notre travail ici aborde ces deux problèmes. »

    La nouvelle technologie étend le concept de chimiste artificiel 2.0, que le laboratoire d’Abolhasani a dévoilé en 2020. Le chimiste artificiel 2.0 est complètement autonome et utilise l’IA et des systèmes robotiques automatisés pour effectuer une synthèse et une analyse chimiques en plusieurs étapes. En pratique, ce système s’est concentré sur le réglage de la bande interdite des points quantiques MHP, permettant aux utilisateurs de passer de la demande d’un point quantique personnalisé à l’achèvement de la R&D pertinente et au début de la fabrication en moins d’une heure.

    « Notre nouvelle technologie de laboratoire autonome peut doper de manière autonome les nanocristaux MHP, en ajoutant des atomes de manganèse dans le réseau cristallin des nanocristaux à la demande », explique Abolhasani.

    Le dopage du matériau avec différents niveaux de manganèse modifie les propriétés optiques et électroniques des nanocristaux et introduit des propriétés magnétiques dans le matériau. Par exemple, le dopage des nanocristaux MHP avec du manganèse peut modifier la longueur d’onde de la lumière émise par le matériau.

    « Cette capacité nous donne un contrôle encore plus grand sur les propriétés des nanocristaux MHP », déclare Abolhasani. « Essentiellement, l’univers des couleurs potentielles qui peuvent être produites par les nanocristaux MHP est maintenant plus grand. Et ce n’est pas seulement la couleur. Il offre une gamme beaucoup plus large de propriétés électroniques et magnétiques. »

    La nouvelle technologie de laboratoire autonome offre également un moyen beaucoup plus rapide et plus efficace de comprendre comment concevoir des nanocristaux MHP afin d’obtenir la combinaison de propriétés souhaitée.

    « Supposons que vous souhaitiez acquérir une compréhension approfondie de la manière dont le dopage au manganèse et le réglage de la bande interdite affecteront une classe spécifique de nanocristaux MHP, tels que CsPbX.3», dit Abolhasani. « Il y a environ 160 milliard expériences possibles que vous pourriez exécuter, si vous vouliez contrôler toutes les variables possibles dans chaque expérience. En utilisant des techniques conventionnelles, il faudrait encore généralement des centaines ou des milliers d’expériences pour apprendre comment ces deux processus – le dopage au manganèse et le réglage de la bande interdite – affecteraient les propriétés des nanocristaux d’halogénure de plomb au césium. »

    Mais le nouveau système fait tout cela de manière autonome. Plus précisément, son algorithme d’IA sélectionne et exécute ses propres expériences. Les résultats de chaque expérience terminée indiquent quelle expérience elle va exécuter ensuite – et elle continue jusqu’à ce qu’elle comprenne quels mécanismes contrôlent les différentes propriétés du MHP.

    « Nous avons découvert, dans une démonstration pratique, que le système était capable de comprendre en profondeur comment ces processus modifient les propriétés des nanocristaux d’halogénure de plomb au césium en seulement 60 expériences », a déclaré Abolhasani. « En d’autres termes, nous pouvons obtenir les informations dont nous avons besoin pour concevoir un matériau en quelques heures au lieu de plusieurs mois. »

    Alors que les travaux présentés dans l’article se concentrent sur les nanocristaux MHP, le système autonome pourrait également être utilisé pour caractériser d’autres nanomatériaux fabriqués à l’aide de procédés en solution, y compris une grande variété de nanomatériaux métalliques et semi-conducteurs.

    « Nous sommes ravis de la façon dont cette technologie élargira notre compréhension de la façon de contrôler les propriétés de ces matériaux, mais il convient de noter que ce système peut également être utilisé pour la fabrication continue », a déclaré Abolhasani. « Ainsi, vous pouvez utiliser le système pour identifier le meilleur processus possible pour créer les nanocristaux souhaités, puis configurer le système pour qu’il commence à produire du matériau sans arrêt – et avec une spécificité incroyable.

    « Nous avons créé une technologie puissante. Et nous recherchons maintenant des partenaires pour nous aider à appliquer cette technologie à des défis spécifiques dans le secteur industriel. »

    L’article, « Autonomous Nanocrystal Doping by Self-Driving Fluidic Micro-Processors », est publié en libre accès dans la revue Systèmes intelligents avancés. L’article a été co-écrit par Fazel Bateni, titulaire d’un doctorat. étudiant à NC State; Robert Epps et Jeffery Bennett, chercheurs postdoctoraux à NC State ; Kameel Antami, un ancien Ph.D. étudiant à NC State; Rokas Dargis, étudiant de premier cycle à NC State; et Kristofer Reyes, professeur adjoint à l’Université de Buffalo.

    Le travail a été réalisé avec le soutien de la National Science Foundation, sous le numéro de subvention 1940959, et de l’UNC Research Opportunities Initiative.

    Vidéo de la nouvelle technologie : https://youtu.be/2BflpW6R4HI

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