MIT發布量子材料評估框架，篩選1.6萬種材料，找到商業化關鍵

量子材料是一類由量子力學效應主導其物理特性的物質體系。雖然這類材料常被視為前沿科研的產物，但實際上它們已廣泛應用于硬盤驅動器、顯示設備和醫療儀器等現代科技產品中。然而，絕大多數量子材料仍停留在實驗室階段，未能實現產業化應用。

那么，是什么因素決定了某些量子材料能夠成功走向市場，而另一些卻始終未能實現商業價值？如果研究者能夠提前預判材料的應用潛力，便可更有針對性地開展研究，避免在缺乏產業化前景的材料上耗費數年光陰。

針對這一問題，麻省理工學院的研究團隊近日開發出一套系統性評估框架，用于衡量量子材料的規模化應用潛力。該框架綜合考慮了材料的量子行為特性、生產成本、供應鏈穩定性及環境影響等多維因素。通過對超過 16,000 種材料進行分析，研究人員發現，具有強電子量子漲落特性的材料往往成本更高、環境足跡更大。同時，他們也篩選出一批在量子性能與可持續性之間達到較佳平衡的材料，為后續研究指明了方向。

研究團隊希望這一方法能夠引導學界開發出更具商業可行性的量子材料，推動其在下一代微電子、能量收集、醫療診斷等領域的應用。

“量子材料研究者通常更關注其物理特性和量子行為，往往不愿在基礎研究階段就考慮成本或環境等非科學因素，”核科學與工程系副教授、論文通訊作者 Mingda Li 表示，“但我相信，十年之內，成本和環境影響將成為材料開發中必須常規考量的要素。”

該研究已發表于 Materials Today。研究團隊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。

建立可規模化的評估標準

材料科學家往往被量子特性最奇特的材料所吸引，卻忽略了其產業化落地的可能性。成本和環境因素常常成為材料走向實際應用的瓶頸。

為此，研究團隊開發了一套評估體系，基于材料的元素構成以及開采、加工過程的常見做法，對其價格和環境影響進行量化分析。同時，他們采用團隊去年構建的人工智能模型，基于物理系 Liang Fu 教授提出的“量子權重”概念，對材料的“量子性”進行量化。

“長期以來，如何量化材料的‘量子性’一直是個難題，”Liang Fu 指出，“‘量子權重’這一指標可以有效反映材料的量子特性強度，權重越高，量子性越強。”

研究聚焦于一類具有特殊電子性質的拓撲材料，最終對超過 16,000 種材料的環境影響、價格和進口韌性等指標進行評分。分析首次揭示：材料的量子權重與其成本和環境破壞程度呈強相關。

“這一發現具有現實指導意義，”材料科學與工程系講師 Ellan Spero 表示，“工業界迫切需要低成本材料。目前同時具備高量子權重和低成本的材料非常稀少，這也解釋了為何大多數材料難以實現規模化。”

研究團隊最終篩選出 200 種環境可持續性較好的材料，并進一步優選出 31 種在量子性能與潛在影響力之間達到最佳平衡的候選材料。分析還發現，部分被廣泛研究的材料環境影響評分較高，表明其難以實現可持續的規模化生產。

“在材料開發早期就必須考慮其制造可擴展性、環境可獲得性及影響，這對未來技術應用至關重要，”電氣工程與計算機科學系副教授 Farnaz Niroui 強調。

推動材料走向實際應用

盡管研究中評估的許多拓撲材料尚未實際合成，影響了其環境與成本預測的準確性，但研究團隊已與相關企業展開合作，對篩選出的潛力材料進行實驗驗證。

“半導體行業人士對我們篩選出的部分材料表現出濃厚興趣，”電氣工程與計算機科學系教授 Tomas Palacios 表示，“化學領域的合作者也認為這些材料極具研究價值。接下來我們將通過實驗進一步探索這些低成本拓撲材料的性能。”

Liang Fu 補充道：“傳統太陽能電池的理論效率極限為 34%，而許多拓撲材料的理論極限可達 89%。它們還能在全電磁波段收集能量，甚至包括人體散發的熱量。這些特性已在實驗室中得到驗證，但始終受制于規模化難題。這正是我們努力突破的方向。”

該研究得到了美國國家科學基金會和美國能源部的部分資助。

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