Laboratoire automatisé accélère le développement de matériaux

L'E-MAP se compose d'un système fermé dans lequel des expériences de matériaux automatisées robotisées sont réalisées sous atmosphère protectrice. (Image : Holger Röhm, KIT)

Étudier systématiquement des milliers de variantes de matériaux, les évaluer et les développer de manière ciblée – c’est ce que permet la nouvelle plateforme d’accélération des matériaux énergétiques (E-MAP) à l’Institut de Technologie de Karlsruhe (KIT). Elle combine des expériences automatisées avec une caractérisation précise des matériaux et constitue ainsi la base d’un développement accéléré des matériaux pour l’énergie.

Pour de nouveaux matériaux fonctionnels, il est souvent nécessaire de tester de nombreuses combinaisons de matériaux. Les expériences traditionnelles atteignent rapidement leurs limites lorsqu’il faut comparer plusieurs variantes. La nouvelle plateforme d’accélération des matériaux énergétiques (E-MAP) du KIT automatise donc les étapes clés en laboratoire. « Des systèmes robotiques prennent en charge, entre autres, la préparation des matériaux, la manipulation des échantillons, le dépôt de couches minces et leur caractérisation », explique le Dr. Holger Röhm de l’Institut de technologie lumineuse (LTI) du KIT, dont l’équipe de recherche a construit la plateforme. « Cela permet de réaliser des expériences avec une grande précision et une reproductibilité élevée. Avec l’E-MAP, nous pouvons plus rapidement identifier quelles compositions de matériaux et quelles conditions de fabrication sont particulièrement prometteuses pour une application spécifique. »

Conception modulaire et extensible de manière flexible

L’E-MAP est intégrée dans un système fermé. Cela permet également de traiter des matériaux sensibles dans des conditions contrôlées.

La plateforme fabrique des couches minces à partir de matériaux de départ à base de solutions. Un système de microfluidique permet la fabrication automatisée et la formulation d’encres semi-conductrices. Les chercheurs complètent en permanence l’installation avec d’autres méthodes de caractérisation des couches minces. « Un avantage essentiel de l’E-MAP est sa conception modulaire », explique le professeur Alexander Colsmann du LTI du KIT. « Nous pouvons intégrer de nouvelles expériences et méthodes de caractérisation, et adapter la plateforme à différentes questions scientifiques. Des partenaires de la recherche et de l’industrie peuvent également apporter leurs propres méthodes et appareils. »

Des expériences automatisées au développement de matériaux assisté par l’IA

Grâce à l’automatisation, de grandes quantités de données expérimentales sont générées. Les chercheurs souhaitent désormais analyser ces données à l’aide de méthodes d’intelligence artificielle. Cela permet d’identifier dès à présent des combinaisons de matériaux prometteuses via des simulations virtuelles et de gérer des processus de sélection autonomes ou semi-autonomes. Pour cela, ils intègrent différentes plateformes de recherche automatisées. « Lorsque la synthèse, la transformation, la caractérisation et l’analyse des données sont reliées entre elles, un processus de recherche se met en place, dans lequel nous pouvons planifier et réaliser de plus en plus d’expériences de manière axée sur les données », explique Röhm.

À propos de l’E-MAP

La plateforme d’accélération des matériaux énergétiques (E-MAP) est un laboratoire auto-conduit (SDL), c’est-à-dire une plateforme de recherche fonctionnant de manière largement autonome. De tels SDL constituent un élément central de l’Agenda HighTech allemand. La mise en place de l’E-MAP a commencé en 2023. Pour l’équipement technique de la plateforme, le KIT a jusqu’à présent consacré environ 600 000 euros. La Fondation Carl Zeiss a soutenu le développement au cours des dernières années dans le cadre du projet de recherche KeraSolar. L’E-MAP est intégrée dans la Helmholtz Acceleration Alliance (HELMA), qui vise à mettre en réseau des plateformes de recherche autonomes dans les sciences des matériaux et de la vie, réparties sur plusieurs centres Helmholtz.