量子材料是一類由量子力學(xué)效應(yīng)主導(dǎo)其物理特性的物質(zhì)體系。雖然這類材料常被視為前沿科研的產(chǎn)物，但實(shí)際上它們已廣泛應(yīng)用于硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、顯示設(shè)備和醫(yī)療儀器等現(xiàn)代科技產(chǎn)品中。然而，絕大多數(shù)量子材料仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段，未能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

那么，是什么因素決定了某些量子材料能夠成功走向市場(chǎng)，而另一些卻始終未能實(shí)現(xiàn)商業(yè)價(jià)值？如果研究者能夠提前預(yù)判材料的應(yīng)用潛力，便可更有針對(duì)性地開(kāi)展研究，避免在缺乏產(chǎn)業(yè)化前景的材料上耗費(fèi)數(shù)年光陰。

針對(duì)這一問(wèn)題，麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)近日開(kāi)發(fā)出一套系統(tǒng)性評(píng)估框架，用于衡量量子材料的規(guī)?；瘧?yīng)用潛力。該框架綜合考慮了材料的量子行為特性、生產(chǎn)成本、供應(yīng)鏈穩(wěn)定性及環(huán)境影響等多維因素。通過(guò)對(duì)超過(guò) 16,000 種材料進(jìn)行分析，研究人員發(fā)現(xiàn)，具有強(qiáng)電子量子漲落特性的材料往往成本更高、環(huán)境足跡更大。同時(shí)，他們也篩選出一批在量子性能與可持續(xù)性之間達(dá)到較佳平衡的材料，為后續(xù)研究指明了方向。

研究團(tuán)隊(duì)希望這一方法能夠引導(dǎo)學(xué)界開(kāi)發(fā)出更具商業(yè)可行性的量子材料，推動(dòng)其在下一代微電子、能量收集、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域的應(yīng)用。

“量子材料研究者通常更關(guān)注其物理特性和量子行為，往往不愿在基礎(chǔ)研究階段就考慮成本或環(huán)境等非科學(xué)因素，”核科學(xué)與工程系副教授、論文通訊作者 Mingda Li 表示，“但我相信，十年之內(nèi)，成本和環(huán)境影響將成為材料開(kāi)發(fā)中必須常規(guī)考量的要素?！?/p>

該研究已發(fā)表于 Materials Today。研究團(tuán)隊(duì)還包括共同第一作者博士生 Artittaya Boonkird、Mouyang Cheng 和 Abhijatmedhi Chotrattanapituk，以及其他多位合作者。

建立可規(guī)模化的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

材料科學(xué)家往往被量子特性最奇特的材料所吸引，卻忽略了其產(chǎn)業(yè)化落地的可能性。成本和環(huán)境因素常常成為材料走向?qū)嶋H應(yīng)用的瓶頸。

為此，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一套評(píng)估體系，基于材料的元素構(gòu)成以及開(kāi)采、加工過(guò)程的常見(jiàn)做法，對(duì)其價(jià)格和環(huán)境影響進(jìn)行量化分析。同時(shí)，他們采用團(tuán)隊(duì)去年構(gòu)建的人工智能模型，基于物理系 Liang Fu 教授提出的“量子權(quán)重”概念，對(duì)材料的“量子性”進(jìn)行量化。

“長(zhǎng)期以來(lái)，如何量化材料的‘量子性’一直是個(gè)難題，”Liang Fu 指出，“‘量子權(quán)重’這一指標(biāo)可以有效反映材料的量子特性強(qiáng)度，權(quán)重越高，量子性越強(qiáng)?！?/p>

研究聚焦于一類具有特殊電子性質(zhì)的拓?fù)洳牧希罱K對(duì)超過(guò) 16,000 種材料的環(huán)境影響、價(jià)格和進(jìn)口韌性等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分。分析首次揭示：材料的量子權(quán)重與其成本和環(huán)境破壞程度呈強(qiáng)相關(guān)。

“這一發(fā)現(xiàn)具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義，”材料科學(xué)與工程系講師 Ellan Spero 表示，“工業(yè)界迫切需要低成本材料。目前同時(shí)具備高量子權(quán)重和低成本的材料非常稀少，這也解釋了為何大多數(shù)材料難以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?。”

研究團(tuán)隊(duì)最終篩選出 200 種環(huán)境可持續(xù)性較好的材料，并進(jìn)一步優(yōu)選出 31 種在量子性能與潛在影響力之間達(dá)到最佳平衡的候選材料。分析還發(fā)現(xiàn)，部分被廣泛研究的材料環(huán)境影響評(píng)分較高，表明其難以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的規(guī)?；a(chǎn)。

“在材料開(kāi)發(fā)早期就必須考慮其制造可擴(kuò)展性、環(huán)境可獲得性及影響，這對(duì)未來(lái)技術(shù)應(yīng)用至關(guān)重要，”電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系副教授 Farnaz Niroui 強(qiáng)調(diào)。

推動(dòng)材料走向?qū)嶋H應(yīng)用

盡管研究中評(píng)估的許多拓?fù)洳牧仙形磳?shí)際合成，影響了其環(huán)境與成本預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，但研究團(tuán)隊(duì)已與相關(guān)企業(yè)展開(kāi)合作，對(duì)篩選出的潛力材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

“半導(dǎo)體行業(yè)人士對(duì)我們篩選出的部分材料表現(xiàn)出濃厚興趣，”電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系教授 Tomas Palacios 表示，“化學(xué)領(lǐng)域的合作者也認(rèn)為這些材料極具研究?jī)r(jià)值。接下來(lái)我們將通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步探索這些低成本拓?fù)洳牧系男阅??！?/p>

Liang Fu 補(bǔ)充道：“傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池的理論效率極限為 34%，而許多拓?fù)洳牧系睦碚摌O限可達(dá) 89%。它們還能在全電磁波段收集能量，甚至包括人體散發(fā)的熱量。這些特性已在實(shí)驗(yàn)室中得到驗(yàn)證，但始終受制于規(guī)?；y題。這正是我們努力突破的方向?！?/p>

該研究得到了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和美國(guó)能源部的部分資助。

https://news.mit.edu/2025/why-some-quantum-materials-stall-while-others-scale-1015