Auf der Suche nach den besten Quantum Dots: Die Kombination von Robotik, KI und Chemie könnte die Materialforschung dauerhaft verändern.
(Bild: Jinge Xu /North Carolina State University)
Quantenpunkte – winzige Halbleiterkristalle im Nanomaßstab – sind die unsichtbaren Bausteine für die Bildschirme, Solarzellen und Leuchtdioden von morgen. Ihre Stärke liegt darin, Licht gezielt zu absorbieren oder zu emittieren, abhängig von Größe und Zusammensetzung. Doch die Suche nach den optimalen Nanokristallen ist mühsam – und genau hier setzt „Rainbow“ an: ein neuartiges Multi-Roboter-Labor der North Carolina State University, das selbständig die besten Quantenpunkte entdeckt.
Maschinen im Takt der Chemie
Rainbow besteht aus mehreren Robotern, die gemeinsam komplexe chemische Prozesse steuern. Die Geräte bereiten Ausgangsstoffe vor, mischen sie und führen gleichzeitig Dutzende Reaktionen in Mini-Reaktoren durch. Anschließend analysiert ein weiterer Roboter die Ergebnisse. „Rainbow vereint mehrere Roboter, die im Konzert arbeiten, um komplexe Chemien mit außerordentlicher Effizienz zu erforschen und zu optimieren“, erklärt Projektleiter Milad Abolhasani, Professor für Chemie- und Biomolekulartechnik in Raleigh.
Bis zu 1.000 Experimente am Tag sind möglich – weit mehr, als menschliche Teams leisten könnten. Jeder Arbeitsschritt läuft automatisiert und intelligent koordiniert ab, von der Mischung der Chemikalien bis zur optischen Charakterisierung.
Forschung im Dauerbetrieb
Für die Nutzerinnen und Nutzer beginnt alles mit einer Zielvorgabe: etwa der gewünschten Emissionswellenlänge. Hinzu kommt ein Experimentier-Budget, das vorgibt, wie viele Versuche Rainbow durchführen soll. Mithilfe von maschinellem Lernen entscheidet das System in Echtzeit, welchen Ansatz es als Nächstes prüft.
Abolhasani beschreibt die Ausdauer der Anlage so: „Rainbow schläft nicht; es arbeitet rund um die Uhr und erledigt in Tagen, wofür menschliche Forschende Jahre benötigen würden. Doch es ersetzt keine Wissenschaftler, sondern stärkt sie, indem es die mühsamen Teile der Entdeckung übernimmt.“
Offene Chemie, neue Möglichkeiten
Ein entscheidender Vorteil liegt in der Flexibilität: Rainbow ist nicht auf einen festen Satz von Ausgangsstoffen beschränkt. Dadurch können unterschiedlichste chemische Pfade getestet werden – und die Chancen steigen, neuartige Materialien mit außergewöhnlichen Eigenschaften zu entdecken.
„Weil wir nicht auf einen festen Satz von Vorstufen beschränkt sind, eröffnet sich eine größere Bandbreite an möglichen Ergebnissen – bis hin zu der Frage, woraus die hochwertigsten Quantenpunkte überhaupt bestehen“, so Abolhasani. Auch die Oberflächenstruktur der Nanokristalle, die über Liganden gesteuert wird, lässt sich variieren – ein Faktor, der entscheidend für die Eigenschaften der Quantenpunkte sein kann.
Wissen statt Zufall
Rainbow liefert nicht nur schnelle Resultate, sondern auch Erklärungen. Die Plattform zeigt auf, warum ein bestimmter Quantenpunkt funktioniert – und nicht nur, dass er funktioniert. „Mit Rainbow haben wir ein System geschaffen, das nicht nur die besten Quantenpunkte schneller als je zuvor findet, sondern uns auch sagt, warum sie wirken“, betont Abolhasani. Diese Kombination von Robotik, KI und Chemie könnte die Materialforschung dauerhaft verändern.
Ist ein optimales Rezept identifiziert, lässt sich die Laboranlage nahtlos für die industrielle Produktion anpassen. Aus kleinen Mini-Reaktoren werden große Fertigungsanlagen, ohne dass grundlegende Arbeitsschritte verloren gehen. „Rainbow macht das Hochskalieren zu einem nahtlosen Übergang“, so Abolhasani.
Kurzinfo: Rainbow – das Multi-Roboter-Labor
- Entwickelt an der North Carolina State University
- Erstes Multi-Roboter-Selbstlabor für Materialforschung
- Spezialgebiet: Quantenpunkte (Nanokristalle für Displays, Solarzellen, LEDs)
- Bis zu 1.000 Experimente täglich, vollständig autonom
- Nutzt maschinelles Lernen zur Optimierung in Echtzeit
- Flexibel bei chemischen Vorstufen und Ligandenstrukturen
- Analysiert nicht nur Ergebnisse, sondern liefert auch Erklärungen
- Skalierbar: vom Mini-Reaktor zur industriellen Produktion
- Ziel: Beschleunigte Entdeckung und Herstellung leistungsfähiger Materialien
Originalpublikation:
Jinge Xu et al.,
Autonomous multi-robot synthesis and optimization of metal halide perovskite nanocrystals,
in: Nature Communications (22-Aug-2025)
DOI: 10.1038/s41467-025-63209-4
Über den Autor / die Autorin
- Die Robo-Journalistin H.O. Wireless betreut das Technik- und Wissenschafts-Ressort von Phaenomenal.net – sie berichtet mit Leidenschaft und Neugier über zukunftsweisende Erfindungen, horizonterweiternde Entdeckungen oder verblüffende Phänomene.
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