В новом исследовании учёные из Массачусетского технологического института (MIT) оценили потенциал квантовых материалов для коммерческого использования в больших масштабах и определили перспективные варианты.
Квантовые материалы: от экзотики до обыденности
Квантовые материалы, свойства которых обусловлены квантово-механическими эффектами, часто воспринимаются как экзотические диковинки. Однако некоторые из них уже стали неотъемлемой частью наших компьютерных жёстких дисков, экранов телевизоров и медицинских устройств. Тем не менее подавляющее большинство квантовых материалов так и не выходит за пределы лабораторий.
Что делает одни квантовые материалы коммерчески успешными, а другие — нет? Если бы исследователи знали ответ, они могли бы направить свои усилия на более перспективные материалы. А это важно, поскольку они могут потратить годы на изучение одного материала.
Новая система оценки
Учёные из MIT разработали систему для оценки потенциала масштабирования квантовых материалов. Их подход объединяет квантовое поведение материала с его стоимостью, устойчивостью цепочки поставок, экологическим следом и другими факторами.
Исследователи использовали свою систему для оценки более чем 16 000 материалов. Они обнаружили, что материалы с наибольшими квантовыми флуктуациями в центрах электронов также, как правило, дороже и наносят больший вред окружающей среде.
Команда также определила набор материалов, которые достигают баланса между квантовой функциональностью и устойчивостью, для дальнейшего изучения.
Цель исследования
Группа надеется, что их подход поможет в разработке более коммерчески жизнеспособных квантовых материалов, которые можно будет использовать в микроэлектронике нового поколения, приложениях для сбора энергии, медицинской диагностике и т. д.
«Люди, изучающие квантовые материалы, очень сосредоточены на их свойствах и квантовой механике, — говорит Мингда Ли, доцент кафедры ядерной науки и техники и старший автор работы. — По какой-то причине у них есть естественное сопротивление тому, чтобы во время фундаментальных исследований материалов задумываться о затратах и других факторах. Некоторые говорили мне, что считают эти факторы слишком «мягкими» или не относящимися к науке. Но я думаю, что в течение 10 лет люди будут регулярно думать о стоимости и воздействии на окружающую среду на каждом этапе разработки».
Материалы, которые имеют значение
Чэн и Бунккирд говорят, что исследователи в области материаловедения часто тяготеют к квантовым материалам с наиболее экзотическими квантовыми свойствами, а не к тем, которые наиболее вероятно будут использоваться в продуктах, меняющих мир.
«Исследователи не всегда думают о стоимости или воздействии материалов, которые они изучают, на окружающую среду, — говорит Чэн. — Но эти факторы могут сделать их непригодными для использования».
Ли и его коллеги хотели помочь исследователям сосредоточиться на квантовых материалах с большим потенциалом для внедрения в промышленности.
Оценка факторов
Для этого исследования они разработали методы оценки таких факторов, как цена материалов и их экологическое воздействие, используя элементы и общепринятые методы их добычи и обработки. В то же время они количественно оценили уровень «квантовости» материалов с помощью модели искусственного интеллекта, созданной той же группой в прошлом году на основе концепции, предложенной профессором физики MIT Лян Фу, — квантового веса.
«Долгое время было неясно, как количественно оценить квантовость материала, — говорит Фу. — Квантовый вес очень полезен для этой цели. По сути, чем выше квантовый вес материала, тем он более квантовый».
Исследователи сосредоточились на классе квантовых материалов с экзотическими электронными свойствами, известных как топологические материалы, и в итоге присвоили более чем 16 000 материалам оценки по экологическому воздействию, цене, устойчивости импорта и другим параметрам.
Впервые исследователи обнаружили сильную корреляцию между квантовым весом материала и его стоимостью и экологическим воздействием.
«Это полезная информация, потому что промышленность действительно хочет что-то недорогое, — говорит Сперо. — Мы знаем, что мы должны искать: материалы с высоким квантовым весом и низкой стоимостью. Очень немногие разрабатываемые материалы соответствуют этим критериям, и это, вероятно, объясняет, почему они не масштабируются до промышленного уровня».
Перспективные материалы
Исследователи определили 200 экологически устойчивых материалов и сузили список до 31 кандидата, которые достигли оптимального баланса квантовой функциональности и высокого потенциального воздействия.
Исследователи также обнаружили, что несколько широко изучаемых материалов имеют высокие показатели воздействия на окружающую среду, что указывает на то, что их будет сложно масштабировать устойчиво.
«Учёт масштабируемости производства, экологической доступности и воздействия имеет решающее значение для обеспечения практического внедрения этих материалов в новых технологиях», — говорит Нируи.
Направляющие исследования
Многие из топологических материалов, оценённых в статье, ещё не были синтезированы, что ограничивало точность экологических и стоимостных прогнозов исследования. Но авторы говорят, что исследователи уже работают с компаниями над изучением некоторых перспективных материалов, определённых в статье.
«Мы разговаривали с людьми из полупроводниковых компаний, которые сказали, что некоторые из этих материалов их действительно заинтересовали, — говорит Паласиос. — Теперь мы хотим экспериментально изучить эти более дешёвые топологические материалы, чтобы лучше понять их характеристики».
«Солнечные элементы имеют предел эффективности в 34 процента, но многие топологические материалы имеют теоретический предел в 89 процентов. Кроме того, вы можете собирать энергию во всех электромагнитных диапазонах, включая тепло нашего тела, — говорит Фу. — Если бы мы могли достичь этих пределов, вы могли бы легко заряжать свой мобильный телефон с помощью тепла тела. Это характеристики, которые были продемонстрированы в лабораториях, но не могли масштабироваться. Вот то, что мы пытаемся продвигать вперёд».
Эта работа была частично поддержана Национальным научным фондом и Министерством энергетики США.
Статья: «Являются ли квантовые материалы экономически и экологически устойчивыми?»
Проверьте наличие версий статьи в открытом доступе.