量子材料——其特性源于量子力学效应——通常被视为实验室中的奇特存在。然而，一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组成部分。尽管如此，绝大多数量子材料从未能在实验室之外实现实际应用。
为什么有些量子材料能成功商业化，而另一些则被忽视？
这个问题困扰着材料科学界多年。研究人员往往投入数年时间研究单一材料，却难以预测其商业潜力。如果能够提前识别具有商业化前景的材料，将大大提高研发效率和成功率。
MIT研究人员近日开发了一套创新系统，用于评估量子材料的规模化潜力。他们的数据驱动框架结合了材料的量子行为与成本、供应链韧性、环境足迹等多重因素，为量子材料的商业化评估提供了全新视角。
研究背景与挑战
"研究量子材料的人员非常专注于其特性和量子力学，"该研究的资深作者、MIT核科学工程系副教授Mingda Li表示，"出于某种原因，他们在基础材料研究过程中自然地抵制考虑成本和其他因素。有些人告诉我，他们认为这些因素太'软'或与科学无关。但我认为，在未来10年内，人们将在开发的每个阶段常规性地考虑成本和环境影响。"
博士生Mouyang Cheng和Artittaya Boonkird指出，材料科学研究人员往往倾向于研究具有最奇特量子特性的材料，而不是那些最有可能改变世界的材料。
"研究人员并不总是考虑他们所研究材料的成本或环境影响，"Cheng说，"但这些因素可能使这些材料无法应用于实际。"
评估框架的构建
Li及其合作者希望帮助研究人员专注于更具行业采用潜力的量子材料。为此，他们开发了评估材料价格和环境影响的方法，利用材料的元素成分以及这些元素的常见开采和处理实践。同时，他们使用去年由同一团队创建的AI模型量化了材料的"量子性"，该模型基于MIT物理系教授Liang Fu提出的概念——量子权重。
"长期以来，如何量化材料的量子性一直不清楚，"Fu教授表示，"量子重量对此非常有用。基本上，材料的量子重量越高，其量子性就越强。"
研究人员专注于一类具有奇异电子特性的量子材料——拓扑材料，最终为超过16,000种材料分配了环境影响、价格、进口韧性等方面的评分。
关键发现：量子性与成本环境的关联
研究人员首次发现了材料量子重量与其成本和环境破坏程度之间的强烈相关性。
"这些信息很有价值，因为行业真正需要的是低成本产品，"材料科学工程系的Ellan Spero副教授说，"我们知道我们应该寻找什么：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，这可能解释了为什么它们无法规模化到工业应用。"
研究团队确定了200种环境可持续材料，并进一步筛选出31种在量子功能性和高潜力影响方面达到最佳平衡的材料候选者。
环境与成本的平衡艺术
研究人员还发现，几种广泛研究的材料表现出高环境影响分数，表明它们难以可持续地规模化。
"考虑制造的可扩展性以及环境可用性和影响对于确保这些材料在新兴技术中的实际应用至关重要，"EECS副教授Farnaz Niroui表示。
这一发现对材料科学领域具有重要意义。传统上，材料研发主要关注性能指标，而忽视了全生命周期的成本和环境考量。MIT的新框架将这两者有机结合，为材料科学家提供了更全面的评估工具。
商业化前景与应用领域
研究团队希望他们的方法能够指导开发更具商业可行性的量子材料，这些材料可用于下一代微电子、能源收集应用、医疗诊断等多个领域。
"太阳能电池的效率限制为34%，但许多拓扑材料的理论限制为89%，"Fu教授解释道，"此外，您可以在所有电磁波段收集能量，包括我们身体的体温。如果我们能够达到这些极限，您就可以轻松地使用体温为手机充电。这些性能已在实验室中得到验证，但从未能够规模化。这正是我们试图推动发展的方向。"
研究局限与未来方向
值得注意的是，论文中评估的许多拓扑材料尚未被合成，这限制了研究的环境预测和成本预测的准确性。但作者表示，研究人员已经与公司合作，研究论文中确定的一些有前景的材料。
"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，我们的化学合作者还通过这项工作确定了一些他们觉得非常有趣的材料，"EECS教授Tomas Palacios说，"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。"
这项研究部分得到了美国国家科学基金会和美国能源部的支持。
对材料科学研究的启示
MIT的这一研究代表了材料科学研究范式的重要转变。它不仅改变了研究人员仅关注量子特性的传统思维，更将成本和环境因素纳入早期研发考量。
在资源有限和环境压力日益增大的今天，这种综合评估方法对于开发真正可持续且具有商业价值的技术至关重要。通过在研究初期就考虑全生命周期影响，研究人员可以更有效地将资源投入到最有潜力的材料上，加速创新从实验室走向市场的进程。
未来，随着这一评估框架的不断完善和更多数据的积累，我们有理由期待更多兼具优异量子性能和可持续性的材料问世，为能源、电子、医疗等领域带来革命性突破。
