Con el fin de acelerar la velocidad de la innovación tecnológica, el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) ha creado una plataforma innovadora, a la que se ha denominado SPOC (polímeros en un chip) para automatizar el descubrimiento de nuevos materiales avanzados. Integrando disciplinas desde la química de polímeros a la robótica, el proyecto SPOC automatiza completamente el flujo de trabajo desde la selección y mezcla de componentes hasta la colocación y pruebas de los mismos en placas de circuito impreso. Esta serie de experimentos no solo proporciona una notable mejora de la eficiencia, sino que igual es capaz de reducir drásticamente el tiempo que pasa del diseño inicial de una idea de material a la fabricación de un prototipo.
Incorporación técnica y calidad del trabajo en la plataforma SPOC
La plataforma SPOC utiliza una tecnología de escritura directa de tinta con mezcla activa en el cabezal de impresión 3D, lo que permite combinar y extruir polímeros con una precisión sin precedentes directamente sobre una placa de circuito. Al contrario de los sistemas tradicionales de cribado de alto rendimiento que tienen límites de viscosidad estrictos, SPOC puede manejar resinas con una consistencia que puede ir desde un agua hasta la densidad de la masilla de ventanas o de la pasta de dientes.
Una vez impresas las muestras, estas se curan con calor o luz para asegurar propiedades homogéneas antes de poder ser evaluadas mediante sensores eléctricos con un potenciostato conectado. Esta automatización, controlada mediante scripts de computación en Python, elimina la necesidad de realizar mezclas manuales que organizaban la investigación y hacían que existieran reinicios constantes cuando las muestras no alcanzaban el objetivo de rendimiento deseado.
Fusión entre inteligencia artificial y simulaciones cuánticas
Un elemento crucial para el éxito de SPOC es el ensamblaje de la computación de alto rendimiento con la informática del aprendizaje automático y de la inteligencia artificial para analizar datos sólidos en tiempo real. El equipo del laboratorio utiliza simulaciones cuánticas para mejorar la previsibilidad y determinar cómo se comportarán las distintas formulaciones de polímeros antes de que sean fabricadas.
Más aún, se ha desarrollado un repositorio único de datos normalizados para entrenar modelos de IA en base a la información de aquellas muestras que no han conseguido el resultado esperado, pues estas incitan a la identificación de lo que finalmente define un material de alta calidad. El control inteligente de la información es clave para realizar el objetivo de modernización del laboratorio, ya que permite que el sistema aprenda de forma recursiva y optimice su búsqueda de soluciones a necesidades exigentes de la cadena de suministro a la defensa nacional.
Avances en la soberanía energética y baterías de estado sólido
La aplicación prioritaria de la tecnología SPOC se ha centrado en la mejora de la conductividad iónica de los electrolitos poliméricos sólidos para baterías de litio y sodio, que se presentan como una opción mucho más segura que los sistemas líquidos convencionales, ya que no son inflamables y evitan fugas térmicas en dispositivos electrónicos y vehículos. En poco más de un año de uso de la plataforma, se han evaluado más de 860 formulaciones de electrolitos sólidos, alcanzándose un volumen de ensayos casi cuatro veces mayor que el obtenido mediante métodos de prueba manuales.
Los resultados obtenidos por el laboratorio han puesto de manifiesto la capacidad de SPOC para recoger tendencias de rendimiento que están perfectamente correlacionadas con las pruebas tradicionales de las celdas de moneda. Esta eficiencia también ha facilitado las colaboraciones con startups tecnológicas como DarmokTech para el desarrollo de baterías de sodio para el almacenamiento de energía en la red. El uso del sodio ofrece ventajas estratégicas por su abundancia y sus posibilidades de reciclaje, lo que fomenta la economía circular.