Aleyna Apul
Giriş
Söz konusu elektronik ve fotonik cihazlar olduğunda karşılaşılan en önemli zorluklardan biri şüphesiz cihazlarda kullanılmak üzere belirlenen malzemelerin olabilecek en yüksek kalitede üretilebilmesi için oldukça uzun zamana ihtiyaç duyulmasıdır. Bu malzemelerin sahip olacağı en yüksek kalite ile nasıl üretileceğinin belirlenmesi yıllar süren laboratuvar çalışmaları gerektirebilir.
Yakın zamanda Advanced Energy Materials dergisinde açık erişim olarak yayınlanan “Smart Dope: A Self-Driving Fluidic Lab for Accelerated Development of Doped Perovskite Quantum Dots” isimli makale bazı belirli uygulamalarda kullanılmak üzere yüksek kaliteye sahip malzemelerin artık SmartDope isimli sistemle saatler veya günler içerisinde sentezlenebileceğini mümkün kılıyor.
North Carolina Eyalet Üniversitesi’nde kimya mühendisliği doçenti ve makalenin ilgili yazarı Milad Abolhasani ürettikleri bu yeni sistem için “Bu katkılı kuantum noktaları, hedefli bir şekilde belirli safsızlıklar kattığınız, optik ve fizikokimyasal özelliklerini değiştiren yarı iletken nanokristallerdir.” şeklinde katkılı kuantum noktalarını açıklıyor. Kuantum noktalarında belirli safsızlıklar oluşturmak onları sentez amacına uygun olarak kullanmak konusunda daha avantajlı hale getiriyor.
Bu özel kuantum noktaları için güneş pillerinin kullanımına örnek veren Abolhasani, güneş pillerinin absorbe edemediği UV ışığının dalga boylarının özel kuantum noktaları tarafından emilebileceğine ve bu dalga boylarının güneş pilleri tarafından elektriğe dönüştürülebilen belirli dalga boylarına çevrilebileceğine vurgu yapıyor. Bu yeni nesil özel kuantum noktaları fotovoltaik cihazlarda, optik ve optoelektronik cihazlarda kullanılmak üzere umut vaat ediyor.
Kuantum noktalarında en önemli zorluk elbette zamandır. Bahsedilen UV ışığının istenen ışık dalga boylarına dönüştürülebilmesi için verimliliği üst düzeylere çıkaracak yüksek kalitede kuantum noktalarının sentezlenmesi gerekir. Fakat Abolhasani yüksek kalite katkılı kuantum noktalarının geleneksel tekniklerle sentezlenmesi için 10 yıl gibi bir zaman dilimi öngörüyor. Bu zaman problemini ortadan kaldırmak içinse bir laboratuvar sistemi geliştiriyor: SmartDope
“SmartDope” isimli sistem, araştırmacıların sisteme sadece öncü kimyasal maddeyi ve belirli hedefi söylediği, geri kalan deney sürecinde kendi kendini yöneten bir otonom sistemdir. Bu çalışmanın amacı ise, en yüksek “kuantum verimine” sahip katkılı perovskit kuantum noktasını veya UV ışığı aracılığıyla emdiği fotonlara göre kuantum noktasının yaydığı en yüksek foton oranını (kızılötesi veya görünür ışık dalga boyları olarak) bulmaktır.
SmartDope sistemi, her bir öncü malzemenin göreceli miktarları; bu öncüleri karıştırdığı sıcaklık ve yeni öncüller eklendiğinde verilen reaksiyon süresinin miktarı gibi değişkenleri manipüle ederek deneyleri bağımsız olarak yürütebiliyor. Planlanan deneyler kuantum nokta sentezinin hızlı bir şekilde gerçekleşebilmesi için olabildiğince küçük miktarlarda kimyasal kullanan sürekli akışlı bir reaktör içerisinde gerçekleştiriliyor ve akış reaktörünü terk eden kuantum noktalarına optik özellikler SmartDope isimli sistem tarafından karakterize ediliyor.
Tüm bu deney süreci gerçekleşirken ve katkılı kuantum noktaları sentezlenirken bu sentezin kimyası hakkında anlayışın güncellenmesi ve en kaliteli kuantum noktasının üretilmesi adına bir sonraki aşamanın deney planı makine öğrenimi tarafından gerçekleştiriliyor. Akış reaktörü içerisinde kuantum sentezi, karakterizasyon, makine öğrenimi ve bir sonraki deney seçim sürecini kapsayan tüm bu süreç kapalı döngü olarak adlandırılıyor.
Son olarak, üretilen bu katkılı kuantum noktalarının verimi incelendiğinde, eski çalışmalarda elde edilen verim %130 iken, üretilen bu yeni katkılı kuantum noktaları verim oranını %158’e çıkarttığı bildiriliyor. Abolhasani bu verim başarısı hakkında “Yıllarca sürecek çalışmaların önüne geçerek, sınıfının en iyisini bulduk.” yorumunu yapıyor.
Gerçekten de geleneksel yöntemlerle kıyaslandığında ciddi bir zaman tasarrufu sağlayan, özellikle kimya ve malzeme bilimi alanına önemli bir katkısı olan, akış reaktörleri kullanılarak kendi kendine çalışan SmartDope isimli bu sistem ve üretilen katkılı kuantum noktaları gelecek adına heyecan verici bir gelişme olarak önümüze çıkmaktadır.
Kaynak: https://phys.org/news/2023-11-autonomous-lab-best-in-class-quantum-dot.html
Görsel Kaynak: https://phys.org/news/2023-11-autonomous-lab-best-in-class-quantum-dot.html
Editör: Yasemin CANKAT