Pesquisadores desenvolvem robô eletroquímico autônomo e personalizável

Pesquisadores do Instituto Beckman de Ciência e Tecnologia Avançada desenvolveram um robô de laboratório automatizado para executar experimentos eletroquímicos complexos e analisar dados.

Com preço acessível e acessibilidade em mente, os pesquisadores criaram de forma colaborativa um robô de bancada que executa eletroquímica rapidamente. Apropriadamente chamado de Electrolab, este instrumento reduz bastante o esforço e o tempo necessários para estudos eletroquímicos, automatizando muitas tarefas laboratoriais básicas e repetitivas.

O Electrolab pode ser utilizado para explorar materiais de armazenamento de energia e reações químicas que promovam a utilização de fontes de energia alternativas e renováveis ​​como a energia solar ou eólica, essenciais para o combate às alterações climáticas.

“Esperamos que o Electrolab permita novas descobertas no armazenamento de energia e, ao mesmo tempo, nos ajude a compartilhar conhecimentos e dados com outros eletroquímicos – e não eletroquímicos. Queremos que eles possam experimentar coisas que não podiam antes”, disse Joaquín Rodríguez-López, professor do Departamento de Química da Universidade de Illinois Urbana-Champaign.

A equipe interdisciplinar foi co-liderada por Rodríguez-López e Charles Schroeder, professor James Economy no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais e professor de engenharia química e biomolecular na UIUC. Seu trabalho aparece na revista Dispositivo.

Eletroquímica é o estudo da eletricidade e sua relação com a química. As reações químicas libertam energia que pode ser convertida em eletricidade – as baterias utilizadas para alimentar controladores remotos ou veículos elétricos são exemplos perfeitos deste fenómeno.

Na direção oposta, a eletricidade também pode ser usada para impulsionar reações químicas. A eletroquímica pode fornecer uma alternativa verde e sustentável para muitas reações que, de outra forma, exigiriam o uso de produtos químicos agressivos, e pode até gerar reações químicas que convertem gases de efeito estufa, como o dióxido de carbono, em produtos químicos úteis em outras indústrias. Estas são demonstrações relativamente simples de eletroquímica, mas a crescente demanda para gerar e armazenar grandes quantidades de energia em uma escala muito maior é atualmente um desafio proeminente.

Um tipo de bateria, conhecida como bateria de fluxo redox, é usada para armazenamento no nível da rede e pode armazenar e fornecer energia para redes elétricas inteiras. As baterias exploradas por esta colaboração utilizam moléculas orgânicas para armazenar energia e podem ser facilmente alteradas ou ajustadas alterando a estrutura dessas moléculas. Uma grande desvantagem de explorar as condições da bateria de fluxo redox é que leva muito tempo e esforço para identificar um sistema que funcione, disse Michael Pence, estudante de graduação do Laboratório Rodríguez-López e bolsista de graduação do Instituto Beckman em 2023.

O Electrolab começou como uma ideia entre Rodríguez-López e Schroeder baseada em um projeto colaborativo focado no avanço da ciência e tecnologia das baterias. Rodríguez-López e Schroeder formaram uma equipe interdisciplinar que inclui programadores, engenheiros e eletroquímicos. Inicialmente a ideia era criar um design microfabricado, mas a equipe decidiu priorizar a acessibilidade e a transferibilidade.

Depois de estabelecer o projeto final do Electrolab, o grupo de pesquisa criou e testou com sucesso um dispositivo acessível, altamente adaptável, feito de peças comuns e com custo de construção de cerca de US$ 1.000, o que é fundamental para sua adoção por laboratórios de todos os portes. A equipe está compartilhando abertamente os planos de construção deste instrumento, para que todos os pesquisadores possam se beneficiar dele.

Existem dois componentes principais do Electrolab: hardware e software. O hardware consiste em uma estrutura de impressora 3D padrão que foi transformada em um robô manipulador de soluções; matrizes de eletrodos microfabricados, ou eChips; e hardware eletroquímico. A estrutura permite que o robô se mova dentro de uma área designada acima das células eletroquímicas para distribuir diferentes líquidos. Os eChips medem a corrente elétrica necessária para a compreensão das medições eletroquímicas.

O componente de software foi criado em Python (uma plataforma de codificação gratuita e de código aberto) que permite ao usuário se conectar ao Electrolab para realizar experimentos. O software permite análise de dados totalmente automatizada, gráficos visuais e plotagem. Quando combinado com o aprendizado de máquina, o Electrolab se transforma de um robô que completa tarefas predeterminadas em um robô que pode tomar decisões sobre a direção do experimento enquanto ele está acontecendo. Normalmente, um eletroquímico escolhe a dedo conjuntos de dados de interesse para avançar, mas o Electrolab usa os dados que está coletando e analisando em tempo real para dar o próximo passo. Em outras palavras, o Electrolab está tornando esta ciência eletrorrápida.

O gargalo da caracterização eletroquímica é o tempo necessário para análise aprofundada e caracterização de novas moléculas e soluções. São tarefas como medir tensões nas quais os materiais da bateria carregam e descarregam e descobrir a velocidade das reações colaterais. Existem maneiras quase ilimitadas de explorar e ajustar esses sistemas, mas simplesmente não há tempo ou largura de banda suficientes para explorar todas as opções.

O Electrolab está a acelerar a descoberta de novos materiais e, em última análise, ajudará a combater as alterações climáticas. Estudar a conversão eficiente de energia e explorar novos materiais de armazenamento de energia usados ​​em baterias de fluxo redox permitiria que fontes alternativas de energia, como a energia solar ou eólica, se tornassem mais práticas. No centro de tudo isso está a eletroquímica, diz Pence, e é por isso que o Electrolab é tão importante.

Em seu artigo publicado recentemente, a equipe de pesquisa descreve detalhadamente a função do Electrolab e relata as descobertas de dois experimentos usados ​​para testar a precisão e robustez de seu robô. O Electrolab realizou mais de 200 experimentos em múltiplas condições, analisou os dados e até mesmo se limpou em 2 horas. Este experimento levaria 8 horas para um eletroquímico médio – dependendo do seu nível de cafeína.

O segundo experimento testou a capacidade do Electrolab de trabalhar como especialista. Programado para analisar um material de bateria de fluxo redox de próxima geração em um tipo de experimento muito mais exigente para encontrar soluções eletrolíticas de suporte, o Electrolab foi modificado com eletrodos menores e mais sensíveis e configurado para funcionar de forma totalmente autônoma. Concluiu as tarefas em menos de quatro horas sem interferência humana, permitindo aos pesquisadores trabalhar em outros projetos e reduzindo o ruído de fundo que muitas vezes pode ser visto em análises eletroquímicas delicadas.

Além de explorar novos materiais para baterias, o Electrolab mostra-se promissor na exploração de sistemas onde a eletroquímica está conduzindo reações químicas de maneira ecológica e sustentável. Como parte de sua pesquisa sobre Beckman, Pence planeja usar o Electrolab para examinar as condições de oxidação de subprodutos comuns de biomassa, encontrando maneiras de transformar resíduos em produtos químicos de valor agregado.