SmartDope: Революционная автономная лаборатория, синтезирующая квантовые точечные источники за несколько часов

Исследователи из Северо-Каролинского университета разработали автономную лабораторию, способную обнаружить лучшие в классе квантовые точечные источники за считанные часы, что в свою очередь заняло бы у человека годы.


Квантовые точечные источники представляют собой нанокристаллы полупроводников, обладающие уникальными физико-химическими и оптическими свойствами. Они могут поглощать ультрафиолетовый свет и излучать видимый или инфракрасный свет, что делает их перспективными для применения в фотоэлектрических устройствах и других фотонных и оптоэлектронных приборах. Однако, получение высококачественных квантовых точечных источников требует тщательного легирования, что представляет собой сложную и трудоемкую задачу, требующую многолетних исследований в лабораторных условиях.


— Милад Аболхасани, автор статьи о SmartDope и доцент кафедры химической инженерии Северо-Каролинского университета.

Уникальность созданной лаборатории заключается в ее способности самостоятельно синтезировать передовые квантовые точечные источники за несколько часов или дней. Эта система, названная SmartDope, была разработана для решения длительной проблемы улучшения свойств перовскитных квантовых точечных источников.

SmartDope — «самоуправляемая» лаборатория. Для начала исследователи сообщают SmartDope, с какими исходными химическими веществами работать и дают ей определенную цель. Цель в этом исследовании была найти легированный перовскитный квантовый точечный источник с наивысшим «квантовым выходом», то есть наивысшим отношением фотонов, которые квантовый точечный источник излучает (в виде инфракрасного или видимого света), к фотонам, которые он поглощает (в виде ультрафиолетового света). После того, как она получила эту начальную информацию, SmartDope начинает проводить эксперименты автономно.

Эксперименты проводятся в непрерывном потоковом реакторе, который использует очень малые количества химических веществ для быстрого проведения экспериментов по синтезу квантовых точечных источников, поскольку исходные вещества протекают через систему и реагируют друг с другом. Для каждого эксперимента SmartDope манипулирует рядом переменных, таких как: относительные количества каждого исходного вещества; температура, при которой она смешивает эти вещества; и время реакции, данное при добавлении новых веществ.

После каждого эксперимента SmartDope измеряет квантовый выход полученного квантового точечного источника и анализирует его спектральные характеристики. Затем она использует алгоритм машинного обучения, чтобы определить, какие параметры синтеза приводят к наилучшему результату. На основе этого анализа она адаптирует свою стратегию для следующего эксперимента, чтобы приблизиться к цели. Таким образом, SmartDope постоянно улучшает свои знания и навыки, чтобы найти оптимальный рецепт для создания лучшего в своем классе квантового точечного источника.

Используя этот подход, SmartDope смогла обнаружить квантовый точечный источник с квантовым выходом более 90%, что является рекордом для перовскитных квантовых точечных источников. Куратор исследования, профессор Милад Аболхасани, с удивлением отмечает, что автономная лаборатория достигла этого результата всего за 12 часов работы, тогда как в обычных условиях такого прогресса могло занять годы. Это первый пример такой автономной системы, что открывает новые возможности для синтеза высококачественных квантовых точечных источников для различных практических приложений.


— Милад Аболхасани.

Статья «Smart Dope: A Self-Driving Fluidic Lab for Accelerated Development of Doped Perovskite Quantum Dots» опубликована в открытом доступе в журнале Advanced Energy Materials.