Un laboratoire automatisé accélère le développement des matériaux
Une nouvelle plateforme de recherche étudie de manière autonome des matériaux destinés au photovoltaïque à couche mince et à d'autres applications optoélectroniques
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Étudier, évaluer et perfectionner de manière ciblée des milliers de variantes de matériaux : c'est ce que permet la nouvelle plateforme « Energy Materials Acceleration Platform » (E-MAP) de l'Institut de technologie de Karlsruhe (KIT). Elle combine des expériences automatisées à une caractérisation précise des matériaux, jetant ainsi les bases d’un développement accéléré des matériaux énergétiques.
Pour mettre au point de nouveaux matériaux fonctionnels, il est souvent nécessaire de tester de nombreuses combinaisons de matériaux. Les expériences traditionnelles atteignent rapidement leurs limites lorsqu’il s’agit de comparer un grand nombre de variantes entre elles. C’est pourquoi la nouvelle Energy Materials Acceleration Platform (E-MAP) du KIT automatise les étapes clés du travail en laboratoire. « Les systèmes robotiques se chargent notamment de la préparation des matériaux, de la manipulation des échantillons, du dépôt de couches minces et de leur caractérisation », explique le Dr Holger Röhm de l’Institut de technologie de l’éclairage (LTI) du KIT, dont l’équipe de recherche a mis en place la plateforme. « Cela permet de mener des expériences avec une grande précision et une excellente reproductibilité. Grâce à l’E-MAP, nous pouvons identifier plus rapidement quelles compositions de matériaux et quelles conditions de fabrication sont particulièrement prometteuses pour une application donnée. »
Conception modulaire et extensibilité flexible
L’E-MAP est intégrée dans un système fermé. Cela permet de traiter même des matériaux sensibles dans des conditions contrôlées. La plateforme fabrique des couches minces à partir de matériaux de base en solution. Un système microfluidique permet la fabrication et la formulation automatisées d’encres à semi-conducteurs. Les chercheurs enrichissent en permanence l’installation de nouvelles méthodes de caractérisation des couches minces. « L’un des principaux avantages de l’E-MAP réside dans sa conception modulaire », explique le professeur Alexander Colsmann du LTI du KIT. « Nous pouvons intégrer de nouvelles expériences et méthodes de caractérisation et ainsi adapter la plateforme à différentes problématiques scientifiques. Les partenaires de coopération issus du monde scientifique et de l’industrie peuvent également apporter leurs propres méthodes et équipements. »
Des expériences automatisées au développement de matériaux assisté par l’IA
L’automatisation génère de grandes quantités de données expérimentales. À l’avenir, les chercheurs souhaitent les analyser à l’aide de méthodes d’intelligence artificielle. Cela permettra d’identifier des combinaisons de matériaux prometteuses dès la phase de simulations virtuelles et de piloter des processus de criblage autonomes ou semi-autonomes. Pour ce faire, ils intègrent différentes plateformes de recherche automatisées. « Lorsque la synthèse, le traitement, la caractérisation et l’analyse des données sont reliés entre eux, il en résulte un processus de recherche dans lequel nous pouvons planifier et mener des expériences de manière de plus en plus guidée par les données », explique M. Röhm.
À propos d’E-MAP
L’Energy Materials Acceleration Platform (E-MAP) est un « Self-Driving Lab » (SDL), c’est-à-dire une plateforme de recherche fonctionnant de manière largement autonome. Ces SDL constituent un élément central du programme allemand « High-Tech Agenda ». La mise en place de l’E-MAP a débuté en 2023. À ce jour, le KIT a alloué environ 600 000 euros à l’équipement technique de la plateforme. La Fondation Carl Zeiss a soutenu ce développement ces dernières années dans le cadre du projet de recherche KeraSolar. L’E-MAP s’inscrit dans le cadre de la future Helmholtz Acceleration Alliance (HELMA), qui vise à mettre en réseau des plateformes de recherche autonomes dans les sciences des matériaux et des sciences de la vie, regroupant plusieurs centres Helmholtz.
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