量子材料商业化评估:MIT开发数据驱动框架筛选可持续量子材料

1

量子材料因其独特的量子力学特性而备受关注,但大多数量子材料始终停留在实验室阶段,难以实现商业化应用。近日,麻省理工学院(MIT)的研究人员开发了一套创新的评估系统,旨在筛选具有规模化商业潜力的量子材料,为这一领域的发展指明了新方向。

量子材料商业化困境

量子材料是指那些量子力学效应显著影响其物理特性的材料。虽然某些量子材料已成为我们计算机硬盘、电视屏幕和医疗设备中不可或缺的部分,但绝大多数量子材料从未能在实验室外实现广泛应用。

"研究人员往往倾向于研究量子特性最奇特、最'异国情调'的材料,而非那些最有可能改变世界的材料,"MIT博士生Mouyang Cheng和Artittaya Boonkird指出。"他们很少考虑所研究材料的成本或环境影响,但这些因素可能使这些材料完全无法实际应用。"

这一现象导致大量研究资源被投入到最终难以商业化的材料上,造成了科研效率的低下。正如研究资深作者、核科学与工程系副教授Mingda Li所言:"研究人员在基础材料研究中自然地抵制考虑成本和其他因素,有些人认为这些因素太'软'或不相关于科学。但我认为,在未来10年内,人们将在开发阶段常规性地考虑成本和环境影响。"

多维度评估框架

为了解决这一问题,Li及其团队开发了一套综合评估框架,该框架不仅考虑材料的量子特性,还纳入了成本、供应链韧性、环境影响等多维度因素。

"对于如何量化材料的'量子性',长期以来一直不清楚,"MIT物理学教授Liang Fu解释道。"量子重量概念对这一目的非常有用。基本上,材料的量子重量越高,其量子特性就越强。"

研究团队专注于一类具有奇异电子特性的量子材料——拓扑材料,并使用去年由同一团队创建的AI模型来量化材料的量子性。同时,他们通过分析材料的成分以及这些成分的开采和加工常见实践,评估了材料的价格和环境影响。

重大发现:量子特性与成本的关联

研究团队对超过16,000种材料进行了评估,首次发现材料的量子重量与其成本和环境破坏程度之间存在强相关性。

"这是一条有用的信息,因为工业界真正需要的是低成本的东西,"材料科学与工程系讲师Ellan Spero表示,"我们知道我们应该寻找什么样的材料:高量子重量、低成本的材料。目前开发的材料中很少有符合这一标准的,这很可能解释了为什么它们无法规模化到工业应用。"

MIT量子材料评估系统

MIT研究人员开发的量子材料评估系统综合考虑了量子行为、成本、供应链韧性和环境影响等多重因素

筛选可持续量子材料

基于这一发现,研究团队筛选出200种环境可持续材料,并进一步将其精简为31种在量子功能和高潜力影响之间取得最佳平衡的材料候选者。

值得注意的是,研究团队还发现几种被广泛研究的材料具有高环境影响评分,表明它们难以实现可持续规模化。"确保制造规模化和环境可用性与影响的考量,对于确保这些材料在新兴技术中的实际应用至关重要,"电子工程与计算机科学系副教授Farnaz Niroui强调。

推动量子材料商业化

尽管论文中评估的许多拓扑材料尚未被合成,这限制了研究对环境和成本预测的准确性,但作者表示,研究人员已开始与公司合作研究论文中确定的有前景材料。

"我们与半导体公司的人员进行了交谈,他们对其中一些材料非常感兴趣,我们的化学合作者也通过这项工作识别出一些他们非常感兴趣的材料,"电气工程与计算机科学系教授Tomas Palacios表示,"现在我们想实验研究这些更便宜的拓扑材料,以更好地了解它们的性能。"

这些有前景的应用包括太阳能电池、能量收集和医疗诊断等领域。"太阳能电池的效率极限为34%,但许多拓扑材料的理论极限为89%,"Fu教授解释道,"此外,你可以在所有电磁波段收集能量,包括我们的体热。如果我们能够达到这些极限,你可以很容易地使用体热为手机充电。这些性能已在实验室中得到验证,但从未能够规模化。这就是我们试图推动发展的方向。"

未来展望

这项研究得到了美国国家科学基金会和美国能源部的部分支持,为量子材料从实验室走向商业化提供了重要指导。Li教授预测,在未来十年内,成本和环境影响将成为材料开发每个阶段的常规考量因素。

随着研究团队与产业界的合作深入,以及实验研究的推进,这些筛选出的可持续量子材料有望在微电子、能源收集、医疗诊断等领域实现突破性应用,为人类科技进步带来新的可能。

结论

MIT开发的量子材料评估框架代表了一种研究范式的转变,将基础科学研究的严谨性与商业应用的实用性相结合。通过综合考虑量子特性、成本、供应链韧性和环境影响,这一框架不仅有助于研究人员聚焦于更有可能商业化的材料,也为量子技术的可持续发展指明了方向。

随着人工智能技术在材料科学领域的深入应用,以及产业界与学术界合作的不断加强,我们有理由相信,量子材料将从实验室的"异国情调" curiosities转变为改变世界的实用技术,为人类社会带来革命性的变革。