Robotica e IA per sviluppare polimeri elettronici

Sono materiali plastici flessibili, ma capaci di condurre elettricità come i metalli. Possono essere impiegati in diversi settori, dai dispositivi elettronici indossabili per applicazioni in ambito medico ai sistemi di accumulo di energia. Sono i cosiddetti polimeri elettronici, per la cui realizzazione sono necessarie lunghe e complesse fasi di lavorazione, durante le quali è necessario controllare molti parametri a causa delle variazioni morfologiche del materiale, difficili da prevedere. Un processo laborioso che richiede la comprensione delle complesse relazioni tra formulazione e lavorazione per ottenere uniformità nelle proprietà finali del materiale.

Oggi però un lavoro pubblicato su Nature Communications mostra le potenzialità di Polybot, un laboratorio autonomo sviluppato presso il Center for Nanoscale Materials dell’Argonne National Laboratory dell’Illinois, negli Stati Uniti. Qui, robot guidati dall’intelligenza artificiale eseguono esperimenti e analisi, proprio come accade in un classico laboratorio di ricerca con esseri umani. Un approccio pilota che rivoluziona i metodi con cui si studiano e sviluppano nuovi materiali come i polimeri elettronici.

Un approccio ‘intelligente’

Polybot sfrutta l’ottimizzazione Bayesiana, un metodo che gli consente di gestire numerosi parametri e bilanciare più obiettivi contemporaneamente. Un metodo ispirato alla strategia umana: di fronte a informazioni incomplete, si basa sulle esperienze passate migliorando progressivamente i risultati. In questo modo, esplora in modo efficiente lo spazio dei parametri, riducendo il numero di esperimenti necessari e selezionando le soluzioni ottimali tra un milione di combinazioni di fabbricazione dei polimeri. “Utilizzando metodi statistici ed esplorativi basati sull’intelligenza artificiale, Polybot ha raccolto dati affidabili, aiutandoci a individuare condizioni ottimali per la lavorazione dei film sottili”, sostiene Jie Xu, scienziato di Argonne e co-autore della pubblicazione.

Un vero laboratorio del futuro

Polybot gestisce l’intero ciclo di lavorazione: dalla formulazione della soluzione polimerica alla deposizione di film sottili, fino al post-trattamento e alla caratterizzazione elettrica. Questo riduce l’intervento umano e migliora la ripetibilità degli esperimenti. Grazie a un braccio robotico, i campioni vengono spostati da un banco di lavoro a un altro, dove sono posizionati diversi strumenti di indagine con i quali vengono analizzati e ottimizzati i fattori chiave che influenzano le proprietà dei film polimerici.

Un microscopio elettronico criogenico (cryo-EM) realizza immagini con risoluzione quasi atomica delle strutture in soluzione, una tecnica che nel 2017 è valsa il Premio Nobel per la Chimica a Jacques Dubochet, Joachim Frank e Richard Henderson. Mentre un microscopio a diffrazione a raggi X a grande angolo (GIWAXS) analizza la struttura semicristallina dei campioni e individua i percorsi più efficienti per i portatori di carica, al fine di massimizzare la conduttività dei film realizzati.

Risultati sorprendenti

Grazie alla perfetta integrazione tra automazione, apprendimento automatico e analisi avanzata dei dati, questo laboratorio autonomo è in grado di produrre fino a 100 campioni al giorno di film sottili trasparenti con una conduttività media superiore a 4500 S/cm, un valore in linea con le migliori prestazioni attuali.

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