Ein revolutionärer Ansatz in der Laborautomatisierung verändert die Art und Weise, wie Wissenschaftler neue Materialien entdecken. Forschende der North Carolina State University haben ein selbststeuerndes Labor entwickelt, das mindestens zehnmal mehr Daten sammelt als bisherige Techniken und so das Tempo der Materialentdeckung dramatisch erhöht.
Der Durchbruch, veröffentlicht in Nature Chemical Engineering, nutzt dynamische Durchfluss-Experimente, bei denen chemische Gemische kontinuierlich durch das System fließen und in Echtzeit überwacht werden. Dies stellt einen bedeutenden Unterschied zu herkömmlichen stationären Methoden dar, bei denen auf den Abschluss der Reaktion gewartet werden muss, bevor eine Analyse erfolgen kann.
"Wir haben jetzt ein selbststeuerndes Labor geschaffen, das dynamische Durchfluss-Experimente nutzt, bei denen chemische Gemische kontinuierlich durch das System variiert und in Echtzeit überwacht werden", erklärt Milad Abolhasani, ALCOA-Professor für Chemie- und Biomolekulartechnik an der NC State und korrespondierender Autor der Studie. "Es ist, als würde man von einem einzelnen Schnappschuss zu einem kompletten Film der Reaktion wechseln, während sie abläuft."
Das System stoppt nie den Betrieb oder die Charakterisierung von Proben und erfasst alle halbe Sekunde Daten, anstatt auf den Abschluss jedes einzelnen Experiments zu warten. Dieser kontinuierliche Betrieb ermöglicht es den maschinellen Lernalgorithmen des Labors, deutlich mehr hochwertige experimentelle Daten zu erhalten, wodurch deren Vorhersagen immer präziser werden und die Problemlösungsfähigkeiten beschleunigt werden.
Neben der Geschwindigkeit reduziert die Innovation auch die Umweltbelastung erheblich. "Durch die Verringerung der benötigten Anzahl an Experimenten senkt das System den Chemikalienverbrauch und den Abfall drastisch und fördert so nachhaltigere Forschung", betont Abolhasani. "Die Zukunft der Materialentdeckung dreht sich nicht nur darum, wie schnell wir vorankommen, sondern auch darum, wie verantwortungsvoll wir dies tun."
Die Auswirkungen auf globale Herausforderungen sind enorm. Selbststeuernde Labore könnten es Wissenschaftlern ermöglichen, bahnbrechende Materialien für saubere Energie, neue Elektronik oder nachhaltige Chemikalien in Tagen statt Jahren zu entdecken. In Tests identifizierte das dynamische Durchflusssystem nach dem Training bereits beim ersten Versuch optimale Materialkandidaten und demonstrierte so seine Effizienz.
Diese Technologie ist Teil einer breiteren Bewegung hin zur autonomen Wissenschaft, bei der KI und Robotik Entdeckungen im Vergleich zu traditionellen Methoden um das 10- bis 100-fache beschleunigen. Während sich diese Systeme weiterentwickeln, versprechen sie schnellere Lösungen für die dringendsten Herausforderungen der Gesellschaft in den Bereichen Energie, Nachhaltigkeit und Entwicklung fortschrittlicher Materialien.