Люди склонны воспринимать квантовые материалы, свойства которых обусловлены квантово-механическими эффектами, как экзотические диковинки. Однако некоторые квантовые материалы стали неотъемлемой частью наших компьютерных жёстких дисков, экранов телевизоров и медицинских приборов. Тем не менее подавляющее большинство квантовых материалов так и не выходит за пределы лабораторий.
Что определяет коммерческий успех одних квантовых материалов и нерелевантность других? Если бы исследователи знали ответ, они могли бы направить свои усилия на более перспективные материалы — это было бы очень важно, поскольку они могут тратить годы на изучение одного материала.
Сейчас исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) разработали систему для оценки потенциала масштабирования квантовых материалов. Их фреймворк объединяет квантовое поведение материала с его стоимостью, устойчивостью цепочки поставок, экологическим следом и другими факторами.
Исследователи использовали свой фреймворк для оценки более чем 16 000 материалов и обнаружили, что материалы с наибольшими квантовыми флуктуациями в центрах электронов также, как правило, дороже и наносят больший вред окружающей среде.
Исследователи также определили набор материалов, которые достигают баланса между квантовой функциональностью и устойчивостью, для дальнейшего изучения.
Команда надеется, что их подход поможет в разработке более коммерчески жизнеспособных квантовых материалов, которые можно было бы использовать в микроэлектронике нового поколения, приложениях для сбора энергии, медицинской диагностике и многом другом. Их исследование опубликовано в журнале Materials Today.
Профессор Мингда Ли, старший автор работы, говорит: «Люди, изучающие квантовые материалы, очень сосредоточены на их свойствах и квантовой механике. По какой-то причине у них есть естественное сопротивление тому, чтобы во время фундаментальных исследований материалов задумываться о затратах и других факторах. Некоторые говорят, что эти факторы слишком „мягкие“ или не связаны с наукой. Но я думаю, что через 10 лет люди будут на каждом этапе разработки учитывать затраты и экологическое воздействие».
Соавторы Муян Ченг и Артиттая Бункир 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.
Профессор Ли и его коллеги хотели помочь исследователям сосредоточиться на квантовых материалах с большим потенциалом для внедрения в промышленности. Для этого 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 Массачусетского технологического института 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 Элан Сpero, преподаватель кафедры материаловедения и инженерии. «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 уровня промышленности».
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 изученных материалов имеют высокие показатели экологического воздействия, 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 доцент Фарназ Нируи с кафедры электротехники и компьютерных наук (EECS).
Многие из топологических материалов, оценённых в статье, никогда не были синтезированы, что ограничило точность экологических и стоимостных прогнозов исследования. Но авторы говорят, что исследователи уже работают с компаниями над изучением некоторых перспективных материалов, выявленных в статье.
«Мы говорили с людьми из полупроводниковых компаний, которые сказали, что некоторые из этих материалов действительно их заинтересовали, а наши коллеги-химики также определили несколько материалов, которые они считают действительно интересными в рамках этой работы», — говорит профессор Томас Паласиос из EECS. «Теперь мы хотим экспериментально изучить эти более дешёвые топологические материалы, чтобы лучше понять их характеристики».
«Солнечные элементы имеют предел эффективности в 34%, но многие топологические материалы имеют теоретический предел в 89%. 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, используя тепло тела. Это характеристики, которые были продемонстрированы в лабораториях, но так и не масштабировались. Вот что мы пытаемся продвигать».
Предоставлено Массачусетским технологическим институтом.
Эта история перепубликуется с любезного разрешения MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), популярного сайта, который освещает новости об исследованиях, инновациях и преподавании в MIT.