13 نوامبر 2023 – توسط مت شیپمن، دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی
تصویر شماتیکی از سخت افزار ماژولار Smart Dope، از جمله تحویل مایع، X2-X9، فرمولاسیون و واکنش، مشخصات درجا، کنترل کننده دما، X1 و ماژول های کنترل فشار. اعتبار: مواد انرژی پیشرفته (2023). DOI: 10.1002/aenm.202302303
ممکن است سالها کار متمرکز آزمایشگاهی برای تعیین چگونگی ساخت مواد با بالاترین کیفیت برای استفاده در دستگاه های الکترونیکی و فوتونیک طول بکشد. محققان اکنون یک سیستم مستقل ایجاد کرده اند که می تواند نحوه سنتز مواد “بهترین در کلاس” را برای کاربردهای خاص در چند ساعت یا روز شناسایی کند.
سیستم جدید که SmartDope نام دارد، برای مقابله با یک چالش طولانی مدت در رابطه با افزایش خواص موادی به نام نقاط کوانتومی پروسکایت از طریق “دوپینگ” توسعه یافته است.
میلاد ابوالحسنی، دانشیار مهندسی شیمی در دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی و نویسنده مقاله توضیح می دهد: «این نقاط کوانتومی دوپ شده، نانوکریستال های نیمه هادی هستند که شما ناخالصی های خاصی را به صورت هدفمند به آنها وارد کرده اید که خواص نوری و فیزیکوشیمیایی آنها را تغییر می دهد. «دوپ هوشمند: آزمایشگاه سیال خودران برای توسعه سریع نقاط کوانتومی پروسکایت دوپ شده»، دسترسی آزاد در مجله Advanced Energy Materials منتشر شد.
ابوالحسنی می‌گوید: «این نقاط کوانتومی خاص مورد توجه هستند زیرا نویدبخش نسل بعدی دستگاه‌های فتوولتائیک و سایر دستگاه‌های فوتونی و نوری هستند. به عنوان مثال، می‌توان از آنها برای بهبود کارایی سلول‌های خورشیدی استفاده کرد، زیرا می‌توانند طول موج‌های نور UV را که سلول‌های خورشیدی به طور موثر جذب نمی‌کنند، جذب کنند و آنها را به طول موج‌هایی از نور تبدیل کنند که سلول‌های خورشیدی در تبدیل آنها به برق بسیار کارآمد هستند. “
با این حال، در حالی که این مواد بسیار امیدوارکننده هستند، چالشی در توسعه روش هایی برای سنتز نقاط کوانتومی با بالاترین کیفیت ممکن به منظور به حداکثر رساندن کارایی آنها در تبدیل نور UV به طول موج های نور مورد نظر وجود دارد.
وی می گوید: ما یک سوال ساده داشتیم. “بهترین نقطه کوانتومی دوپ شده ممکن برای این کاربرد چیست؟ اما پاسخ به این سوال با استفاده از تکنیک های معمولی ممکن است 10 سال طول بکشد. بنابراین، ما یک آزمایشگاه مستقل ایجاد کردیم که به ما امکان می دهد در چند ساعت به این سوال پاسخ دهیم.”
سیستم SmartDope یک آزمایشگاه “خودران” است. برای شروع، محققان به SmartDope می گویند که با کدام مواد شیمیایی پیش ساز کار کند و به آن یک هدف تعیین شده می دهند. هدف در این مطالعه یافتن نقطه کوانتومی پروسکایت دوپ شده با بالاترین «بازده کوانتومی» یا بالاترین نسبت فوتون‌هایی بود که نقطه کوانتومی ساطع می‌کند (به عنوان طول موج‌های نور مادون قرمز یا مرئی) نسبت به فوتون‌هایی که جذب می‌کند از طریق نور UV .
هنگامی که این اطلاعات اولیه را دریافت کرد، SmartDope شروع به اجرای آزمایشات به طور مستقل می کند. آزمایش‌ها در یک راکتور جریان پیوسته انجام می‌شوند که از مقادیر بسیار کمی از مواد شیمیایی برای انجام آزمایش‌های سنتز نقاط کوانتومی به سرعت استفاده می‌کند، زیرا پیش‌سازها در سیستم جریان می‌یابند و با یکدیگر واکنش می‌دهند.
برای هر آزمایش، SmartDope مجموعه ای از متغیرها را دستکاری می کند، مانند: مقادیر نسبی هر ماده پیش ساز. دمایی که در آن آن پیش سازها را مخلوط می کند. و مقدار زمان واکنش داده شده هر زمان که پیش سازهای جدید اضافه شوند. SmartDope همچنین ویژگی های نوری نقاط کوانتومی تولید شده توسط هر آزمایش را به طور خودکار هنگام خروج از راکتور جریان مشخص می کند.
ابوالحسنی می‌گوید: «از آنجایی که اسمارت دوپ داده‌های مربوط به هر یک از آزمایش‌های خود را جمع‌آوری می‌کند، از یادگیری ماشینی برای به روز رسانی درک خود از شیمی سنتز نقاط کوانتومی دوپ شده و اطلاع‌رسانی آزمایش بعدی با هدف ایجاد بهترین نقطه کوانتومی ممکن استفاده می‌کند.» فرآیند سنتز نقاط کوانتومی خودکار در یک راکتور جریان، مشخصه‌یابی، به‌روزرسانی مدل یادگیری ماشین و انتخاب آزمایش بعدی، عملیات حلقه بسته نامیده می‌شود.
SmartDope چقدر خوب کار می کند؟
ابوالحسنی می‌گوید: «رکورد قبلی برای بازده کوانتومی در این کلاس از نقاط کوانتومی دوپ‌شده 130 درصد بود، به این معنی که نقطه کوانتومی به ازای هر فوتونی که جذب می‌کرد، 1.3 فوتون ساطع می‌کرد. “در عرض یک روز از اجرای SmartDope، ما مسیری را برای سنتز نقاط کوانتومی دوپ شده شناسایی کردیم که بازده کوانتومی 158 درصد را تولید می کرد. این یک پیشرفت قابل توجه است که یافتن آن با استفاده از تکنیک های تجربی سنتی سال ها طول می کشد. ما بهترین راه حل برای این مواد در یک روز در کلاس را پیدا کردیم.
ابوالحسنی می‌گوید: «این کار قدرت آزمایشگاه‌های خودران را با استفاده از راکتورهای جریان برای یافتن سریع راه‌حل‌هایی در علوم شیمیایی و مواد نشان می‌دهد. ما در حال حاضر روی راه‌های جالبی برای پیشبرد این کار کار می‌کنیم و همچنین آماده همکاری با شرکای صنعتی هستیم.»
