Německý institut KIT spustil automatizovanou platformu E-MAP pro rychlejší vývoj energetických materiálů

Vědci z Karlsruhe Institute of Technology (KIT) v Německu spustili novou laboratorní platformu nazvanou Energy Materials Acceleration Platform, zkráceně E-MAP, jejímž cílem je zrychlit vývoj a testování funkčních materiálů pro energetické technologie. Platforma automatizuje klíčové kroky laboratorní práce – od syntézy inkoustu určeného pro polovodiče až po charakterizaci vlastností tenkých filmů, které z tohoto materiálu vznikají.

Motivací pro vznik E-MAP byl dlouhodobý problém, se kterým se potýkají laboratoře zabývající se vývojem nových materiálů. Tradiční experimentální postupy, prováděné ručně jedním vzorkem za druhým, mají zásadní omezení v okamžiku, kdy je potřeba porovnat velké množství různých variant materiálového složení. Hledání optimální kombinace chemických prvků, koncentrací nebo procesních parametrů tak může trvat měsíce až roky, přičemž výzkumníci musí postupně testovat desítky až stovky kombinací, aby našli tu, která dává požadované vlastnosti.

Cílem nové platformy je právě odstranění tohoto úzkého místa, které dlouhodobě brzdí rychlost, s jakou se nové materiály dostávají z laboratoře do praktického využití. Automatizace umožňuje provádět syntézu a následnou analýzu materiálů systematičtěji, rychleji a s vyšší reprodukovatelností, než je možné dosáhnout manuální prací. Stroj dokáže během jednoho pracovního cyklu připravit a otestovat mnohem více vzorků, než by zvládl lidský tým za stejný čas, a navíc eliminuje variabilitu způsobenou lidským faktorem.

Praktické využití platformy směřuje především k inkoustům určeným pro výrobu polovodičů, což je oblast klíčová pro elektroniku i pro fotovoltaické a další energetické aplikace. Tyto inkousty se používají k nanášení tenkých vrstev polovodičového materiálu na podklad, přičemž konečné vlastnosti vrstvy – vodivost, optické chování, stabilita – závisí na přesném složení a způsobu přípravy inkoustu i na následném zpracování filmu. E-MAP dokáže tyto proměnné systematicky měnit a zkoumat, jak ovlivňují výsledné parametry tenkého filmu.

Charakterizace tenkých filmů je druhou klíčovou funkcí platformy. Po vytvoření vzorku následuje automatizované měření jeho fyzikálních a chemických vlastností, což umožňuje rychle vyhodnotit, zda daná kombinace materiálu a procesu splňuje požadovaná kritéria. Díky propojení syntézy a charakterizace do jednoho automatizovaného řetězce mohou výzkumníci získat zpětnou vazbu podstatně rychleji než při klasickém přístupu, kdy jsou obě fáze oddělené a časově náročné.

Rychlejší testování velkého množství materiálových kombinací má potenciál výrazně urychlit vývoj nových generací polovodičových a energetických materiálů, které jsou potřebné například pro pokročilé solární články, senzory nebo další elektronické komponenty. V oboru materiálového výzkumu se podobné automatizované platformy označují jako nástroje pro takzvaný akcelerovaný objev materiálů, kdy kombinace robotiky, automatizovaných laboratorních postupů a datové analýzy nahrazuje pomalejší tradiční metody pokus-omyl.

Vývoj E-MAP zapadá do širšího trendu v materiálové vědě, kde instituce po celém světě investují do automatizovaných a robotizovaných laboratoří s cílem zrychlit inovace v oblastech, jako jsou baterie, fotovoltaika nebo katalyzátory. Karlsruhe Institute of Technology patří mezi přední německé výzkumné instituce zaměřené na technické a přírodovědné obory a nová platforma rozšiřuje jeho možnosti v oblasti materiálového výzkumu pro energetické technologie.

Přesný harmonogram dalšího rozvoje platformy ani konkrétní výsledky prvních experimentů zatím nebyly zveřejněny, nicméně smysl projektu je jasný: umožnit vědcům testovat mnohem více variant materiálů v kratším čase a s menšími náklady, než dovolovaly dosavadní laboratorní postupy. Pokud se ukáže, že automatizovaný přístup skutečně zkracuje dobu potřebnou k identifikaci vhodných materiálových kombinací, mohla by platforma sloužit jako model i pro další výzkumná pracoviště zabývající se vývojem pokročilých funkčních materiálů.