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(noticias nanowerk) Puede llevar años de trabajo de laboratorio concentrado descubrir cómo producir materiales de la más alta calidad para su uso en dispositivos electrónicos y fotónicos. Los investigadores ahora han desarrollado un sistema autónomo que puede determinar cómo sintetizar materiales «mejores en su clase» para aplicaciones específicas en horas o días.
El nuevo sistema, llamado SmartDope, fue diseñado para abordar un desafío de larga data de mejorar las propiedades de materiales llamados puntos cuánticos de perovskita mediante «dopaje».
Las tesis centrales
Investigación
«Estos puntos cuánticos dopados son nanocristales semiconductores en los que se han introducido deliberadamente determinadas impurezas, lo que modifica sus propiedades ópticas y físico-químicas», explica Milad Abolhasani, autor correspondiente de un artículo en SmartDope (Materiales energéticos avanzados“Smart Dope: un laboratorio de fluidos autónomo para el desarrollo acelerado de puntos cuánticos de perovskita dopada”) y profesor asociado de ingeniería química en la Universidad Estatal de Carolina del Norte.
«Estos puntos cuánticos en particular son interesantes porque son prometedores para los dispositivos fotovoltaicos de próxima generación y otros dispositivos fotónicos y optoelectrónicos», dice Abolhasani. «Por ejemplo, podrían usarse para mejorar la eficiencia de las células solares porque pueden absorber longitudes de onda de luz ultravioleta que las células solares no absorben de manera eficiente y convertirlas en longitudes de onda de luz que las células solares pueden convertir en electricidad de manera muy eficiente».
Aunque estos materiales son muy prometedores, sigue siendo un desafío desarrollar métodos para sintetizar puntos cuánticos de la mayor calidad posible para maximizar su eficiencia a la hora de convertir la luz ultravioleta en las longitudes de onda de luz deseadas.
«Teníamos una pregunta sencilla», dice Abolhasani. “¿Cuál es el mejor punto cuántico dopado posible para esta aplicación? Pero responder esa pregunta utilizando técnicas tradicionales podría llevar 10 años. Por eso desarrollamos un laboratorio autónomo que nos permite responder a esta pregunta en cuestión de horas”.
El sistema SmartDope es un laboratorio “autónomo”. Primero, los investigadores le dicen a SmartDope con qué químicos precursores trabajar y le asignan un objetivo específico. El objetivo de este estudio fue encontrar el punto cuántico de perovskita dopada con el mayor «rendimiento cuántico», o la mayor proporción de fotones que el punto cuántico emite (como longitudes de onda de luz infrarroja o visible) en relación con los fotones que absorbe (a través de Luz ultravioleta).
Una vez que SmartDope recibe esta información inicial, comienza a realizar experimentos de forma autónoma. Los experimentos se llevan a cabo en un reactor de flujo que utiliza cantidades extremadamente pequeñas de productos químicos para realizar rápidamente experimentos de síntesis de puntos cuánticos a medida que los precursores fluyen a través del sistema y reaccionan entre sí. Para cada experimento, SmartDope manipula una serie de variables, tales como: las cantidades relativas de cada material precursor; la temperatura a la que se mezclan estos precursores; y el tiempo de reacción dado cada vez que se añaden nuevos precursores. SmartDope también caracteriza automáticamente las propiedades ópticas de los puntos cuánticos creados en cada experimento cuando 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 sintética de los puntos cuánticos dopados e informar qué experimento realizar a continuación, con el objetivo de producir el mejor punto cuántico posible», dice 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 operación de circuito cerrado».
¿Qué tan bien funciona SmartDope?
«El récord anterior de rendimiento cuántico en esta clase de puntos cuánticos dopados fue del 130%, lo que significa que por cada fotón absorbido, el punto cuántico emitió 1,3 fotones», dice Abolhasani. “Un día después de ejecutar SmartDope, identificamos una ruta para sintetizar puntos cuánticos dopados que dio un rendimiento cuántico del 158%. Se trata de un avance significativo que tardaría años en descubrirse utilizando técnicas experimentales tradicionales. En un día encontramos una solución de primera calidad para este material.
«Este trabajo demuestra el poder de los laboratorios autopropulsados que utilizan reactores de flujo para encontrar rápidamente soluciones en ciencia química y de materiales», dice Abolhasani. «Actualmente estamos trabajando en algunas oportunidades interesantes para avanzar en este trabajo y también estamos abiertos a la colaboración con socios de la industria».
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