Otonom bir sistem olan SmartDope, elektronik cihazlar için malzeme sentezini hızlandırarak bir gün içinde kuantum verimi rekoruna ulaşarak malzeme biliminde devrim yaratma potansiyelini ortaya koyuyor.
Elektronik ve fotonik cihazlarda kullanılmak üzere en yüksek kalitede malzemelerin nasıl üretileceğini belirlemek yıllar süren laboratuvar çalışmaları gerektirebilir. Araştırmacılar artık belirli uygulamalar için “sınıfının en iyisi” malzemelerin saatler veya günler içinde nasıl sentezleneceğini tanımlayabilen otonom bir sistem geliştirdiler.
Katkılı Kuantum Noktalarının Sorununu Çözmek
SmartDope adı verilen yeni sistem, perovskit kuantum noktaları adı verilen malzemelerin özelliklerinin “doping” yoluyla arttırılması konusunda uzun süredir devam eden bir zorluğun üstesinden gelmek için geliştirildi.
SmartDope üzerine bir makalenin ilgili yazarı ve kimya mühendisliği doçentlerinden Milad Abolhasani şöyle açıklıyor: “Bu katkılı kuantum noktaları, hedefli bir şekilde belirli safsızlıklar kattığınız, optik ve fizikokimyasal özelliklerini değiştiren yarı iletken nanokristallerdir.” Kuzey Carolina Eyalet Üniversitesi.
Abolhasani, “Bu özel kuantum noktaları ilgi çekici çünkü yeni nesil fotovoltaik cihazlar ve diğer fotonik ve optoelektronik cihazlar için umut vaat ediyorlar” diyor. “Örneğin, güneş pillerinin verimliliğini artırmak için kullanılabilirler çünkü bunlar, güneş pillerinin verimli bir şekilde absorbe edemediği UV ışığının dalga boylarını emebilir ve bunları, güneş pillerinin elektriğe dönüştürmede çok etkili olduğu ışık dalga boylarına dönüştürebilirler. ”
Bununla birlikte, bu malzemeler çok umut verici olsa da, UV ışığını istenen ışık dalga boylarına dönüştürme verimliliğini en üst düzeye çıkarmak için mümkün olan en yüksek kalitede kuantum noktalarının sentezlenmesine yönelik yöntemler geliştirmede zorluklar yaşandı.
Abolhasani, “Basit bir sorumuz vardı” diyor. “Bu uygulama için mümkün olan en iyi katkılı kuantum noktası nedir? Ancak bu soruyu geleneksel tekniklerle cevaplamak 10 yıl sürebilir. Bu nedenle, bu soruyu saatler içinde yanıtlamamıza olanak tanıyan özerk bir laboratuvar geliştirdik.”
Kendi Kendine Sürüş Laboratuvarı
SmartDope sistemi “kendi kendini yöneten” bir laboratuvardır. Başlangıç olarak araştırmacılar SmartDope’a hangi öncü kimyasallarla çalışacağını söylüyor ve ona belirlenmiş bir hedef veriyor. Bu çalışmanın amacı, en yüksek “kuantum verimine” sahip katkılı perovskit kuantum noktasını veya emdiği fotonlara (UV ışığı yoluyla) göre kuantum noktasının yaydığı en yüksek foton oranını kızılötesi veya görünür ışık dalga boyları olarak bulmaktı.
Bu ilk bilgiyi aldıktan sonra SmartDope, deneyleri bağımsız olarak yürütmeye başlar. Deneyler, öncüller sistem içerisinden akarken ve birbirleriyle reaksiyona girerken kuantum nokta sentezi deneylerini hızlı bir şekilde gerçekleştirmek için son derece küçük miktarlarda kimyasal kullanan sürekli akışlı bir reaktörde gerçekleştirilir. Her deney için SmartDope, aşağıdakiler gibi bir takım değişkenleri yönetir: her bir öncü malzemenin göreceli miktarları; bu öncüleri karıştırdığı sıcaklık; ve yeni öncüller eklendiğinde verilen reaksiyon süresinin miktarı. SmartDope ayrıca her deneyde üretilen kuantum noktalarının optik özelliklerini akış reaktörünü terk ederken otomatik olarak karakterize eder.
“SmartDope her deneyine ilişkin veri toplarken, makine öğrenme Abolhasani, katkılı kuantum nokta sentezi kimyası hakkındaki anlayışını güncellemek ve mümkün olan en iyi kuantum noktayı yapmak amacıyla bir sonraki deneyin hangi deneyin yapılacağını bildirmek için “dedi. “Bir akış reaktöründe otomatik kuantum nokta sentezi, karakterizasyon, makine öğrenimi modelinin güncellenmesi ve bir sonraki deney seçimi sürecine kapalı döngü işlemi denir.”
Sonuçlar ve Sonuç
Peki SmartDope ne kadar iyi çalışıyor?
“Bu katkılı kuantum noktaları sınıfında kuantum verimi açısından önceki rekor %130’du; bu da kuantum noktasının her bir parçacık için 1,3 foton yaydığı anlamına geliyor. foton emildi” diyor Abolhasani. “SmartDope’u çalıştırdıktan sonraki bir gün içinde, %158’lik bir kuantum verimi üreten katkılı kuantum noktalarını sentezlemek için bir rota belirledik. Bu, geleneksel deneysel teknikleri kullanarak bulunması yıllar alacak önemli bir ilerlemedir. Bir günde bu malzeme için sınıfının en iyisi çözümü bulduk.
Abolhasani, “Bu çalışma, kimya ve malzeme bilimlerinde hızlı bir şekilde çözüm bulmak için akış reaktörleri kullanan kendi kendine çalışan laboratuvarların gücünü gösteriyor” diyor. “Şu anda bu işi ileriye taşımak için bazı heyecan verici yollar üzerinde çalışıyoruz ve aynı zamanda endüstri ortaklarıyla çalışmaya da açığız.”
Referans: Fazel Bateni, Sina Sadeghi, Negin Orouji, Jeffrey A. Bennett, Venkat S. Punati, Christine Stark, Junyu Wang, Michael C. Rosko, Ou Chen, Felix N. Castellano, Kristofer G. Reyes ve Milad Abolhasani, 12 Kasım 2023, Gelişmiş Enerji Malzemeleri.
Makalenin ortak yazarları Fazel Bateni ve Ph.D. Sina Sadeghi’dir. NC Eyaletindeki öğrenciler. Makalenin ortak yazarı Negin Orouji ve Michael Rosko, Ph.D. NC Eyaletindeki öğrenciler; NC State’de doktora sonrası araştırmacı Jeffrey Bennett; NC State’de yüksek lisans öğrencisi Venkat Punati; NC State’de lisans öğrencisi olan Christine Stark; Felix Castellano, Goodnight Innovation NC Eyaleti Kimya Bölümü Seçkin Başkanı; Brown Üniversitesi’nden Junyu Wang ve Ou Chen; ve Kristofer Reyes Buffalo Üniversitesi.
Çalışma, 1940959 numaralı hibe kapsamında Ulusal Bilim Vakfı’nın desteğiyle yapıldı; UNC Araştırma Fırsatları Girişimi; ve ML-21-064 ödül numarası altında Kimya Bilimleri ve Mühendisliğinde Makine Öğrenimi için Dreyfus Programı.