Zautomatyzowana laboratoria przyspieszają rozwój materiałów

Die E-MAP besteht aus einem geschlossenen System, in dem robotisch automatisierte Materialexperimente unter Schutzatmosphäre durchgeführt werden. (Bild: Holger Röhm, KIT)

Systematyczne badanie, ocena i celowe rozwijanie tysięcy wariantów materiałów – to umożliwia nowa Platforma Akceleracji Materiałów Energetycznych (E-MAP) w Instytucie Technologii w Karlsruhe (KIT). Łączy ona zautomatyzowane eksperymenty z precyzyjną charakterystyką materiałów, tworząc podstawę do przyspieszonego rozwoju materiałów energetycznych.

W przypadku nowych materiałów funkcjonalnych często konieczne jest testowanie wielu kombinacji materiałów. Tradycyjne eksperymenty szybko osiągają granice, gdy trzeba porównać wiele wariantów. Dlatego nowa Platforma Akceleracji Materiałów Energetycznych (E-MAP) na KIT automatyzuje kluczowe kroki w laboratorium. „Systemy robotyczne przejmują między innymi przygotowanie materiałów, obsługę próbek, nanoszenie cienkich warstw i ich charakterystykę,” mówi Dr Holger Röhm z Instytutu Technologii Świetlnej (LTI) KIT, którego zespół badawczy zbudował platformę. „Dzięki temu można przeprowadzać eksperymenty z wysoką precyzją i powtarzalnością. Z E-MAP możemy szybciej rozpoznawać, które składy materiałów i warunki produkcji są szczególnie obiecujące dla danej aplikacji.”

Modularna konstrukcja i elastyczność rozbudowy

Platforma jest zintegrowana w zamkniętym systemie. Dzięki temu można przetwarzać także wrażliwe materiały w kontrolowanych warunkach.

Platforma wytwarza cienkie warstwy z rozpuszczalnikowych materiałów wyjściowych. System mikrofluidyczny umożliwia zautomatyzowaną produkcję i formulację tuszy półprzewodnikowych. Naukowcy ciągle uzupełniają urządzenie o kolejne metody charakterystyki cienkich warstw. „Kluczową zaletą E-MAP jest jej modularna budowa,” mówi profesor Alexander Colsmann z LTI KIT. „Możemy integrować nowe eksperymenty i metody charakterystyki, dostosowując platformę do różnych pytań naukowych. Partnerzy z nauki i przemysłu mogą również wprowadzać własne metody i urządzenia.”

Od zautomatyzowanych eksperymentów do AI wspomagającego rozwój materiałów

Automatyzacja generuje duże ilości danych eksperymentalnych. Naukowcy chcą je w przyszłości analizować za pomocą metod sztucznej inteligencji. Pozwoli to na identyfikację obiecujących kombinacji materiałów już w wirtualnych symulacjach i sterowanie autonomicznymi lub półautonomicznymi procesami przesiewowymi. W tym celu integrują różne zautomatyzowane platformy badawcze. „Gdy połączymy syntezę, przetwarzanie, charakterystykę i analizę danych, powstanie proces badawczy, w którym eksperymenty będą coraz bardziej planowane i przeprowadzane na podstawie danych,” mówi Röhm.

O E-MAP

Platforma Akceleracji Materiałów Energetycznych (E-MAP) to laboratorium samodzielne (SDL), czyli w dużej mierze autonomiczna platforma badawcza. Takie SDL są kluczowym elementem niemieckiej strategii HighTech. Budowa E-MAP rozpoczęła się w 2023 roku. Na techniczne wyposażenie platformy KIT do tej pory przeznaczył około 600 000 euro. Fundacja Carl Zeiss wspierała rozwój w ostatnich latach w ramach projektu badawczego KeraSolar. E-MAP jest częścią planowanej Sojuszu Akceleracji Helmholtz (HELMA), który ma połączyć autonomiczne platformy badawcze w dziedzinie materiałów i nauk o życiu w ramach różnych centrów Helmholtz.