Het uitchecken van een stapel boeken uit de bibliotheek is net zo eenvoudig als het doorzoeken van de bibliotheekcatalogus en het gebruik van unieke telefoonnummers om elk boek uit hun schaplocaties te halen. Met behulp van een soortgelijk principe, wetenschappers van het Center for Functional Nanomaterials (CFN) - een Office of Science User Facility van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) in het Brookhaven National Laboratory - werken samen met Harvard University en het Massachusetts Institute of Technology (MIT) om een ​​eerste zijn soort geautomatiseerd systeem om atomair dunne tweedimensionale (2-D) materialen te catalogiseren en ze in gelaagde structuren te stapelen. De Quantum Material Press genoemd, of QDruk, dit systeem zal de ontdekking van materialen van de volgende generatie versnellen voor het opkomende gebied van kwantuminformatiewetenschap (QIS).

Structuren die worden verkregen door het stapelen van enkele atomaire lagen ("vlokken") die zijn afgepeld van verschillende ouder-bulkkristallen, zijn van belang vanwege de exotische elektronische, magnetisch, en optische eigenschappen die op zulke kleine (kwantum)grootteschalen naar voren komen. Echter, Vlokafschilfering is momenteel een handmatig proces dat een verscheidenheid aan vlokgroottes oplevert, vormen, oriëntaties, en aantal lagen. Wetenschappers gebruiken optische microscopen met een hoge vergroting om handmatig door duizenden vlokken te jagen om de gewenste te vinden, en deze zoektocht kan soms dagen of zelfs een week duren, en is gevoelig voor menselijke fouten.

Nadat hoogwaardige 2-D-vlokken van verschillende kristallen zijn gevonden en hun eigenschappen zijn gekarakteriseerd, ze kunnen in de gewenste volgorde worden geassembleerd om de gelaagde structuren te creëren. Stapelen is zeer tijdrovend, het duurt vaak langer dan een maand om een ​​enkellaagse structuur samen te stellen. Om te bepalen of de gegenereerde structuren optimaal zijn voor QIS-toepassingen - variërend van computergebruik en encryptie tot detectie en communicatie - moeten wetenschappers de eigenschappen van de structuren karakteriseren.

"In gesprekken met onze universitaire medewerkers aan Harvard en MIT die deze gelaagde heterostructuren synthetiseren en bestuderen, we hebben geleerd dat hoewel er stukjes automatisering bestaan, zoals software om de flakes te lokaliseren en joysticks om de flakes te manipuleren, er geen volledig geautomatiseerde oplossing is, " zei CFN-directeur Charles Black, de administratieve leiding over het QPress-project.

Het idee voor de QPress is begin 2018 bedacht door professor Amir Yacoby van het Department of Physics van Harvard. Het concept werd vervolgens verfijnd door een samenwerking tussen Yacoby; Zwart en Kevin Yager, leider van de CFN Electronic Nanomaterials Group; Filip Kim, ook van de afdeling Natuurkunde van Harvard; en Pablo Jarillo-Herrero en Joseph Checkelsky, beide van het Department of Physics aan het MIT.

Volgens Zwart, de unieke rol van CFN was duidelijk:"We realiseerden ons dat het bouwen van een robot die het ontwerp mogelijk maakt, synthese, en het testen van kwantummaterialen is buitengewoon goed afgestemd op de vaardigheden en expertise van wetenschappers van het CFN. Als gebruikersfaciliteit, CFN is bedoeld als hulpmiddel voor de wetenschappelijke gemeenschap, en QIS is een van onze groeigebieden waarvoor we onze mogelijkheden uitbreiden, wetenschappelijke programma's, en personeel."

Grafeen stimuleert onderzoek naar 2D-materialen

De interesse in 2D-materialen gaat terug tot 2004, toen wetenschappers van de Universiteit van Manchester 's werelds eerste 2D-materiaal isoleerden, grafeen - een enkele laag koolstofatomen. Ze gebruikten een verrassend basistechniek waarbij ze een stuk grafiet (het kernmateriaal van potloden) op plakband plaatsten, herhaaldelijk de tape doormidden vouwen en uit elkaar halen om steeds dunnere vlokken te verwijderen. Vervolgens, ze wreven de tape op een plat oppervlak om de vlokken over te brengen. Onder een optische microscoop, de één-atoom-dikke vlokken kunnen worden gelokaliseerd door hun reflectiviteit, verschijnen als zeer vage vlekken. Erkend met een Nobelprijs in 2010, de ontdekking van grafeen en zijn ongebruikelijke eigenschappen - inclusief de opmerkelijke mechanische sterkte en elektrische en thermische geleidbaarheid - heeft wetenschappers ertoe aangezet om andere 2D-materialen te verkennen.

Veel laboratoria blijven deze moeizame aanpak gebruiken om 2D-vlokken te maken en te vinden. Hoewel de aanpak wetenschappers in staat heeft gesteld verschillende metingen aan grafeen uit te voeren, honderden andere kristallen, waaronder magneten, supergeleiders, en halfgeleiders - kunnen op dezelfde manier worden geëxfolieerd als grafiet. Bovendien, verschillende 2D-vlokken kunnen worden gestapeld om materialen te bouwen die nog nooit eerder hebben bestaan. Wetenschappers hebben zeer recent ontdekt dat de eigenschappen van deze gestapelde structuren niet alleen afhangen van de volgorde van de lagen, maar ook van de relatieve hoek tussen de atomen in de lagen. Bijvoorbeeld, een materiaal kan eenvoudig worden afgestemd van een metalen naar een isolerende staat door deze hoek te regelen. Gezien de grote verscheidenheid aan monsters die wetenschappers zouden willen onderzoeken en de foutgevoelige en tijdrovende aard van handmatige synthesemethoden, geautomatiseerde benaderingen zijn hard nodig.

"Uiteindelijk, we willen een robot ontwikkelen die een gestapelde structuur levert op basis van de 2D-vlokkensequenties en kristaloriëntaties die wetenschappers via een webinterface naar de machine selecteren, "zei Black. "Als het lukt, de QPress zou wetenschappers in staat stellen hun tijd en energie te besteden aan het bestuderen van materialen, in plaats van ze te maken."

Een modulaire aanpak

In september 2018, verdere ontwikkeling van de QPress werd gehonoreerd door de DOE, met een tweeledige aanpak. Eén prijs was voor de ontwikkeling van QPress-hardware in Brookhaven, geleid door zwart; Yager; CFN-wetenschappers Gregory Doerk, Aäron Steen, en Jerzy Sadowski; en CFN wetenschappelijk medewerker Young Jae Shin. De andere prijs was voor een gecoördineerd onderzoeksproject onder leiding van Yacoby, Kim, Jarillo-Herrero, en Checkelsky. De natuurkundigen van Harvard en MIT zullen de QPress gebruiken om exotische vormen van supergeleiding te bestuderen - het vermogen van bepaalde materialen om elektriciteit te geleiden zonder energieverlies bij zeer lage temperaturen - die bestaan ​​op het grensvlak tussen een supergeleider en een magneet. Sommige wetenschappers geloven dat dergelijke exotische toestanden van materie de sleutel zijn tot het bevorderen van kwantumcomputing, die naar verwachting de mogelijkheden van zelfs de krachtigste supercomputers van vandaag zal overtreffen.

Een volledig geïntegreerde geautomatiseerde machine bestaande uit een exfoliator, een catalogiseerder, een bibliotheek, een stapelaar, en een karakterisering wordt verwacht in drie jaar. Echter, deze modules zullen gefaseerd online komen om het gebruik van QPress in een vroeg stadium mogelijk te maken.

Het team heeft al wat vooruitgang geboekt. Ze bouwden een prototype exfoliator die de werking nabootst van een menselijke peeling van vlokken van een grafietkristal. De exfoliator drukt een polymeerstempel in een bulkouderkristal en brengt de geëxfolieerde vlokken over door ze op een substraat te drukken. In hun eerste reeks experimenten, het team onderzocht hoe het veranderen van verschillende parameters - stempeldruk, dringende tijd, aantal herhaalde drukken, hoek van persen, en zijdelingse kracht die tijdens de overdracht wordt uitgeoefend, beïnvloeden het proces.

"Een van de voordelen van het gebruik van een robot is dat, in tegenstelling tot een mens, het reproduceert elke keer dezelfde bewegingen, en we kunnen deze bewegingen optimaliseren om veel zeer dunne grote vlokken te genereren, " legde Yager uit. "Dus, de exfoliator verbetert zowel de kwaliteit als de kwantiteit van 2-D-vlokken die van ouderkristallen worden gepeld door de snelheid te verfijnen, precisie, en herhaalbaarheid van het proces."

In samenwerking met Stony Brook University is assistent-professor Minh Hoai Nguyen van de afdeling Computerwetenschappen en Ph.D. student Boyu Wang van het Computer Vision Lab, de wetenschappers bouwen ook een vlokcatalogus. Door middel van beeldanalysesoftware, de catalogiseerder scant een substraat en registreert de locaties van geëxfolieerde vlokken en hun eigenschappen.

"De vlokken waar wetenschappers in geïnteresseerd zijn, zijn dun en dus zwak, handmatige visuele inspectie is dus een arbeidsintensief en foutgevoelig proces, "zei Nguyen. "We gebruiken geavanceerde computervisie en deep learning-technieken om software te ontwikkelen die dit proces nauwkeuriger kan automatiseren."

"Onze medewerkers hebben gezegd dat een systeem dat in staat is om hun monster van vlokken in kaart te brengen en ze te laten zien waar de 'goede' vlokken zich bevinden - zoals bepaald door parameters die ze definiëren - enorm nuttig voor hen zou zijn, "zei Yager. "We hebben nu deze mogelijkheid en zouden het graag willen gebruiken."

Eventueel, het team is van plan een groot aantal verschillende gecatalogiseerde vlokken op planken op te slaan, vergelijkbaar met boeken in een bibliotheek. Wetenschappers kunnen dan toegang krijgen tot deze materialenbibliotheek om de vlokken te selecteren die ze willen gebruiken, en de QPress zou ze ophalen.

Volgens Zwart, de grootste uitdaging zal de constructie van de stacker zijn - de module die samples uit de bibliotheek haalt, "drijft" naar de locaties waar de geselecteerde flakes zich bevinden, en pakt de vlokken op en plaatst ze in een repetitief proces om stapels te bouwen volgens de montage-instructies die wetenschappers in de machine programmeren. uiteindelijk, de wetenschappers willen dat de stapelaar de gelaagde structuren niet alleen sneller maar ook nauwkeuriger assembleert dan handmatige methoden.

De laatste module van de robot zal een materiaalkarakterisator zijn, die gedurende het hele syntheseproces realtime feedback zal geven. Bijvoorbeeld, de karakterisator zal de kristalstructuur en oriëntatie van geëxfolieerde vlokken en gelaagde structuren identificeren door middel van lage-energie-elektronendiffractie (LEED) - een techniek waarbij een straal van lage-energie-elektronen naar het oppervlak van een monster wordt gericht om een ​​diffractiepatroonkenmerk te produceren van de oppervlaktegeometrie.

"Er zijn veel stappen om een ​​volledig geautomatiseerde oplossing te leveren, " zei Black. "We zijn van plan om QPress-mogelijkheden te implementeren zodra ze beschikbaar komen om de voordelen voor de QIS-gemeenschap te maximaliseren."