Laboratorio automatizzato accelera lo sviluppo dei materiali

L'E-MAP è costituito da un sistema chiuso in cui vengono eseguiti esperimenti di materiali automatizzati roboticamente sotto atmosfera protettiva. (Immagine: Holger Röhm, KIT)

Studiare, valutare e sviluppare sistematicamente migliaia di varianti di materiali – questa è la possibilità offerta dalla nuova Energy Materials Acceleration Platform (E-MAP) presso l'Istituto di Tecnologia di Karlsruhe (KIT). Essa combina esperimenti automatizzati con una caratterizzazione precisa dei materiali, creando così la base per uno sviluppo accelerato di materiali energetici.

Per nuovi materiali funzionali, è spesso necessario testare numerose combinazioni di materiali. Gli esperimenti tradizionali raggiungono rapidamente i loro limiti quando si devono confrontare molte varianti. Per questo motivo, la nuova Energy Materials Acceleration Platform (E-MAP) del KIT automatizza i passaggi chiave in laboratorio. „I sistemi robotici si occupano tra l'altro della preparazione dei materiali, della manipolazione dei campioni, dell'evaporazione di strati sottili e della loro caratterizzazione“, afferma il Dr. Holger Röhm dell'Istituto di Tecnologie della Luce (LTI) del KIT, il cui team di ricerca ha sviluppato la piattaforma. „In questo modo, è possibile condurre esperimenti con alta precisione e riproducibilità. Con l'E-MAP possiamo riconoscere più rapidamente quali composizioni di materiali e condizioni di produzione sono particolarmente promettenti per una determinata applicazione.“

Struttura modulare e espandibile in modo flessibile

L'E-MAP è integrata in un sistema chiuso. Ciò permette di lavorare anche materiali sensibili in condizioni controllate.

La piattaforma produce strati sottili a partire da materiali di partenza a base di soluzione. Un sistema microfluidico consente la produzione e formulazione automatizzata di inchiostri semiconduttori. I ricercatori integrano continuamente ulteriori metodi per la caratterizzazione degli strati sottili. „Un vantaggio fondamentale dell'E-MAP è la sua struttura modulare“, afferma il Professor Alexander Colsmann dell'LTI del KIT. „Possiamo integrare nuovi esperimenti e metodi di caratterizzazione e adattare la piattaforma a diverse domande scientifiche. Anche partner di collaborazione da scienza e industria possono contribuire con propri metodi e dispositivi.“

Da esperimenti automatizzati a sviluppo di materiali assistito dall'IA

Con l'automazione, si generano grandi quantità di dati sperimentali. Questi dati saranno analizzati in futuro utilizzando metodi di Intelligenza Artificiale. In questo modo, è possibile identificare già in simulazioni virtuali combinazioni di materiali promettenti e gestire processi di screening autonomi o semi-autonomi. Per farlo, integrano diverse piattaforme di ricerca automatizzate. „Quando sintesi, lavorazione, caratterizzazione e analisi dei dati sono collegati tra loro, si crea un processo di ricerca in cui possiamo pianificare e condurre esperimenti sempre più guidati dai dati“, afferma Röhm.

Su E-MAP

La Energy Materials Acceleration Platform (E-MAP) è un Self-Driving Lab (SDL), ovvero una piattaforma di ricerca che funziona in modo quasi autonomo. Questi SDL sono una componente centrale dell'Agenda HighTech tedesca. La costruzione dell'E-MAP è iniziata nel 2023. Per l'equipaggiamento tecnico della piattaforma, il KIT ha finora stanziato circa 600.000 euro. La Carl-Zeiss-Stiftung ha supportato lo sviluppo negli ultimi anni all’interno del progetto di ricerca KeraSolar. L'E-MAP è integrata nell'Helmholtz Acceleration Alliance (HELMA), che mira a mettere in rete piattaforme di ricerca autonome nel campo dei materiali e delle scienze della vita attraverso diversi centri Helmholtz.