用于提高对纳米晶体理解的自动驾驶实验室

来自北卡罗来纳州立大学和布法罗大学的研究人员开发并展示了一个“自动驾驶实验室”，该实验室使用人工智能(AI)和流体系统来推进我们对金属卤化物钙钛矿(MHP)纳米晶体的理解。这个自动驾驶实验室也可以用于研究各种其他半导体和金属纳米材料。

“我们已经创建了一个自动驾驶实验室，可以用来推进基础纳米科学和应用工程，”米拉德·阿博哈萨尼说，他是一篇关于这项工作的论文的通讯作者，也是北卡罗来纳州立大学化学和生物分子工程副教授。

对于他们的概念验证演示，研究人员专注于全无机金属卤化物钙钛矿(MHP)纳米晶体铯铅卤化(CsPbX)_3.， X=Cl, Br)。MHP纳米晶体是一类新兴的半导体材料，由于其溶液可加工性和独特的尺寸和成分可调特性，被认为在印刷光子器件和能源技术中具有潜在的应用前景。例如，MHP纳米晶体是非常高效的光学活性材料，正在考虑用于下一代led。因为它们可以用溶液处理来制造，所以它们有可能以一种经济有效的方式制造出来。

溶液加工材料是使用液态化学前体制成的材料，包括高价值材料，如量子点、金属/金属氧化物纳米颗粒和金属有机框架。然而，MHP纳米晶体尚未投入工业应用。

“在某种程度上，这是因为我们仍在更好地了解如何合成这些纳米晶体，以便设计与MHPs相关的所有特性，”Abolhasani说。而且，部分原因是合成它们需要一定程度的精度，这阻碍了大规模生产的成本效益。我们在这里的工作解决了这两个问题。”

新技术扩展了…的概念人工化学家2.0阿博哈萨尼的实验室于2020年公布了这一成果。人工化学家2.0是完全自主的，使用人工智能和自动化机器人系统来执行多步化学合成和分析。在实践中，该系统专注于调整MHP量子点的带隙，允许用户在不到一个小时的时间内从请求定制量子点到完成相关研发并开始制造。

Abolhasani说:“我们新的自动驾驶实验室技术可以自主地掺杂MHP纳米晶体，根据需要将锰原子添加到纳米晶体的晶格中。”

在材料中掺杂不同水平的锰会改变纳米晶体的光学和电子特性，并引入磁性。例如，在MHP纳米晶体中掺杂锰可以改变材料发出的光的波长。

“这种能力使我们能够更好地控制MHP纳米晶体的特性，”Abolhasani说。“从本质上讲，MHP纳米晶体可以产生的潜在颜色范围现在更大了。不仅仅是颜色。它提供了更大范围的电子和磁性能。”

新的自动驾驶实验室技术还提供了一种更快、更有效的方法来理解如何设计MHP纳米晶体，以获得所需的性能组合。有关新科技工程的短片可于以下网址下载:

“假设你想深入了解锰掺杂和带隙调谐如何影响特定类别的MHP纳米晶体，如CsPbX_3.Abolhasani说。“大约有160个欧元你可以进行的实验，如果你想控制每个实验中所有可能的变量。使用传统技术，通常仍然需要数百或数千个实验来了解这两个过程-锰掺杂和带隙调谐-将如何影响铯卤化铅纳米晶体的性能。”

但新系统可以自动完成所有这些工作。具体来说，它的人工智能算法选择并运行自己的实验。每一个完成的实验的结果都会告诉它下一步要进行哪个实验——它会一直进行下去，直到弄清楚是什么机制控制着MHP的各种特性。

Abolhasani说:“我们发现，在实际演示中，该系统仅在60个实验中就能够彻底了解这些过程如何改变铯卤化铅纳米晶体的性质。”“换句话说，我们可以在几个小时内获得设计一种材料所需的信息，而不是几个月。”

虽然论文中展示的工作主要集中在MHP纳米晶体上，但自治系统也可用于表征其他使用溶液工艺制成的纳米材料，包括各种金属和半导体纳米材料。

Abolhasani说:“我们对这项技术将如何扩大我们对如何控制这些材料特性的理解感到兴奋，但值得注意的是，该系统也可以用于连续制造。”“因此，您可以使用该系统来确定创建所需纳米晶体的最佳可能工艺，然后设置系统以不间断地开始生产材料-并且具有令人难以置信的特异性。”我们创造了一项强大的技术。我们现在正在寻找合作伙伴，帮助我们将这项技术应用于工业领域的具体挑战。”

-编辑克里斯Vavra，网络内容经理，控制工程、CFE媒体与技术、cvavra@cfemedia.com．

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