La recherche sur la découverte chimique, l'optimisation et l'analyse des tests peuvent être un processus à forte intensité de main-d'œuvre et qui prend du temps. Avec de nombreuses étapes nécessitant une préparation, un échantillonnage et une analyse manuels, cela peut entraîner une augmentation des échelles de temps, des coûts plus élevés et le potentiel d'erreur humaine, et peut limiter la portée de l'exploration.
Une équipe de chercheurs, dirigée par le professeur Nick Warren, présidente des matériaux durables de l'École de produits chimiques, de matériaux et de génie biologique de l'Université de Sheffield, a développé une nouvelle plate-forme automatisée, ou laboratoire autonome, qui agit comme une chaîne de montage chimique sophistiquée qui est alimentée par l'intelligence artificielle.
Au lieu de flacons traditionnels, les réactifs circulent à travers de minuscules tubes et réacteurs, permettant un contrôle incroyablement précis sur la réaction. Il est équipé de capteurs qui surveillent constamment la réaction et peuvent cibler simultanément plusieurs propriétés de produit, telles que la conversion de réaction, la pureté, la taille des particules et l'uniformité. Ces données en temps réel sont introduites dans un algorithme d'apprentissage automatique, qui ajuste ensuite les conditions de réaction – les quantités d'ingrédients, la vitesse et d'autres facteurs – sans aucune intervention humaine.
Dans un projet collaboratif impliquant l'Université de Sheffield, l'Université de Leeds et l'Université de York, les chercheurs ont développé une technologie pour des matériaux à base de nanoparticules à grande valeur, à faible volume, qui ont des applications potentielles dans les soins de santé. Des matériaux similaires sont utilisés pour encapsuler des médicaments difficiles à livrer et l'ARNm dans les nouvelles technologies de vaccination.
Le professeur George Panoutsos, chef de l'École de génie électrique et électronique de l'Université de Sheffield, et un co-chercheur dans la subvention de recherche, a déclaré: « Notre plateforme de laboratoire autonome offre des informations sans précédent sur la synthèse des polymères complexes, permettant aux jours de dépistage des écrans automatisés non supervisés. Soutenir la découverte ainsi que la prise de décision pratique. «
Le professeur Warren a développé cette technologie pour optimiser les conditions de fabrication de polymères qui sont utilisés dans des produits à grand volume tels que les peintures et les adhésifs. Cela permettra l'optimisation des nouveaux produits « plus verts » sur les délais plus rapides nécessaires pour répondre aux demandes de durabilité.
Il a déclaré: « Ce travail représente la première instance d'une plate-forme de réacteur capable d'auto-optimisation en boucle fermée des polymères d'émulsion, déverrouillant la capacité d'accélérer le développement de nouveaux matériaux polymères. »
Des résultats plus récents dans une collaboration avec l'Institut de technologie de Karlsruhe ont démontré la capacité de leur laboratoire autonome pour créer des blocs de construction en polymère hautement fonctionnels adaptés aux applications avancées. Dans une étude nouvellement publiée, le système automatisé a été utilisé pour synthétiser précisément le poly (pentafluorophényle acrylate) (PFPA), un polymère polyvalent facilement applicable à la modification post-polymérisation.
Le laboratoire autonome, équipé d'une résonance magnétique nucléaire en temps réel (RMN) et d'une analyse de chromatographie d'exclusion de taille (SEC), a identifié de manière autonome les conditions optimales pour la production de PFPA. Cela permet aux scientifiques de créer des polymères avec des sites « actifs » spécifiques qui peuvent ensuite être adaptés avec différents composants chimiques, ouvrant la voie à des matériaux de haute génération de haute génération avec des propriétés précisément contrôlées pour diverses applications.
En regardant vers l'avenir, le professeur Warren a déclaré: «À l'avenir, nous avons maintenant l'intention d'évoluer davantage ces technologies en collaboration avec des universitaires et des partenaires de l'industrie dans le monde entier pour accélérer le développement d'un plus large éventail de matériaux polymères. Nous nous concentrerons spécifiquement sur l'adaptation des laboratoires autonomes pour la découverte de polymères et de nanomatériaux qui peuvent répondre à d'importants défis de la société dans le contexte de la durabilité et de la santé.
« Depuis qu'il a déménagé à Sheffield, nous avons déjà commencé à collaborer avec des experts du Center for Machine Intelligence (CMI) et du Grantham Center for Sustainable Futures pour améliorer l'impact de cette recherche. »
Cette nouvelle technologie présente plusieurs avantages par rapport aux méthodes traditionnelles: comme le processus est automatisé, il accélère le développement de nouveaux matériaux. Moins de déchets sont générés car le processus peut être si précisément contrôlé, le rendant plus économe en énergie et durable. L'automatisation réduit l'exposition humaine à des produits chimiques potentiellement dangereux, ce qui rend les opérations plus sûres. La plate-forme peut être programmée pour produire des matériaux avec des propriétés spécifiques, ouvrant un monde de possibilités pour les produits personnalisés.
Trois articles récemment publiés démontrant ce changement vers des méthodes plus efficaces, basées sur les données et autonomes en recherche chimique sont publiées dans Communications rapides macromoléculairesle Journal de génie chimique et Chimie du polymère.
