RALEIGH, N.C. — En lo que habría llevado años descubrir para los humanos, un laboratorio de alta tecnología que funciona de manera autónoma pudo detectar un «quantum dot» de primera clase en tan solo horas. Creado por investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte, SmartDope puede reducir drásticamente el tiempo necesario para desarrollar materiales de alta calidad para dispositivos electrónicos y fotónicos. SmartDope tiene el potencial de identificar y sintetizar materiales de alta calidad para aplicaciones específicas en solo horas o días, un proceso que normalmente lleva años de laborioso trabajo de laboratorio por parte de los humanos.
El enfoque principal del desarrollo de SmartDope fue abordar un desafío persistente relacionado con la mejora de las propiedades de los materiales conocidos como puntos cuánticos de perovskita a través de una técnica llamada «doping». Los puntos cuánticos dopados son diminutos cristales semiconductores impregnados con impurezas específicas de manera dirigida, alterando sus propiedades ópticas y fisicoquímicas.
«Estos puntos cuánticos en particular son de interés porque prometen dispositivos fotovoltaicos de próxima generación y otros dispositivos fotónicos y optoelectrónicos», dice el autor correspondiente del estudio, Milad Abolhasani, profesor asociado de ingeniería química en la Universidad Estatal de Carolina del Norte, en un comunicado de la universidad. «Por ejemplo, podrían utilizarse para mejorar la eficiencia de las células solares, ya que 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 en las que las células solares son muy eficientes en convertir en electricidad».
Sin embargo, la síntesis de puntos cuánticos dopados de alta calidad ha sido un desafío significativo, limitando su potencial.
«Teníamos una pregunta simple: ¿Cuál es el mejor punto cuántico dopado posible para esta aplicación?», explica Abolhasani. «Pero responder a esa pregunta utilizando técnicas convencionales podría llevar 10 años. Así que desarrollamos un laboratorio autónomo que nos permite responder a esa pregunta en horas».
«SmartDope funciona como un laboratorio «autónomo». Los investigadores le proporcionan información sobre los productos químicos precursores a utilizar y el objetivo específico, como encontrar el punto cuántico de perovskita dopado con el mayor «rendimiento cuántico». El rendimiento cuántico mide la relación entre los fotones emitidos (infrarrojos o luz visible) y los fotones absorbidos (luz ultravioleta).
Una vez armado con esta información, SmartDope realiza de manera autónoma experimentos en un reactor de flujo continuo, utilizando cantidades mínimas de productos químicos para una rápida síntesis de puntos cuánticos. Manipula variables como las cantidades de material precursor, las temperaturas de mezcla y los tiempos de reacción, al mismo tiempo que caracteriza automáticamente las propiedades ópticas de los puntos cuánticos producidos.
«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 crear 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 próximo experimento se llama operación en bucle cerrado».
Los investigadores afirman que los resultados fueron asombrosos.
«El récord anterior para el 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», señala Abolhasani. «En un solo día de funcionamiento de SmartDope, identificamos una ruta para la síntesis de puntos cuánticos dopados que producía un rendimiento cuántico del 158 %. Eso es un avance significativo, que llevaría años encontrar utilizando técnicas experimentales tradicionales. Encontramos una solución de primera clase para este material en un día».
«Este trabajo muestra el poder de los laboratorios autónomos que utilizan reactores de flujo para encontrar rápidamente soluciones en ciencias químicas y de materiales. Actualmente estamos trabajando en formas emocionantes de avanzar en este trabajo y también estamos abiertos a colaborar con socios de la industria», concluye Abolhasani.
El estudio se publica en la revista Advanced Energy Materials.»
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