MIT发布量子材料评估框架，筛选1.6万种材料，找到商业化关键

量子材料是一类由量子力学效应主导其物理特性的物质体系。虽然这类材料常被视为前沿科研的产物，但实际上它们已广泛应用于硬盘驱动器、显示设备和医疗仪器等现代科技产品中。然而，绝大多数量子材料仍停留在实验室阶段，未能实现产业化应用。

那么，是什么因素决定了某些量子材料能够成功走向市场，而另一些却始终未能实现商业价值？如果研究者能够提前预判材料的应用潜力，便可更有针对性地开展研究，避免在缺乏产业化前景的材料上耗费数年光阴。

针对这一问题，麻省理工学院的研究团队近日开发出一套系统性评估框架，用于衡量量子材料的规模化应用潜力。该框架综合考虑了材料的量子行为特性、生产成本、供应链稳定性及环境影响等多维因素。通过对超过 16,000 种材料进行分析，研究人员发现，具有强电子量子涨落特性的材料往往成本更高、环境足迹更大。同时，他们也筛选出一批在量子性能与可持续性之间达到较佳平衡的材料，为后续研究指明了方向。

研究团队希望这一方法能够引导学界开发出更具商业可行性的量子材料，推动其在下一代微电子、能量收集、医疗诊断等领域的应用。

“量子材料研究者通常更关注其物理特性和量子行为，往往不愿在基础研究阶段就考虑成本或环境等非科学因素，”核科学与工程系副教授、论文通讯作者 Mingda Li 表示，“但我相信，十年之内，成本和环境影响将成为材料开发中必须常规考量的要素。”

该研究已发表于 Materials Today。研究团队还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。

建立可规模化的评估标准

材料科学家往往被量子特性最奇特的材料所吸引，却忽略了其产业化落地的可能性。成本和环境因素常常成为材料走向实际应用的瓶颈。

为此，研究团队开发了一套评估体系，基于材料的元素构成以及开采、加工过程的常见做法，对其价格和环境影响进行量化分析。同时，他们采用团队去年构建的人工智能模型，基于物理系 Liang Fu 教授提出的“量子权重”概念，对材料的“量子性”进行量化。

“长期以来，如何量化材料的‘量子性’一直是个难题，”Liang Fu 指出，“‘量子权重’这一指标可以有效反映材料的量子特性强度，权重越高，量子性越强。”

研究聚焦于一类具有特殊电子性质的拓扑材料，最终对超过 16,000 种材料的环境影响、价格和进口韧性等指标进行评分。分析首次揭示：材料的量子权重与其成本和环境破坏程度呈强相关。

“这一发现具有现实指导意义，”材料科学与工程系讲师 Ellan Spero 表示，“工业界迫切需要低成本材料。目前同时具备高量子权重和低成本的材料非常稀少，这也解释了为何大多数材料难以实现规模化。”

研究团队最终筛选出 200 种环境可持续性较好的材料，并进一步优选出 31 种在量子性能与潜在影响力之间达到最佳平衡的候选材料。分析还发现，部分被广泛研究的材料环境影响评分较高，表明其难以实现可持续的规模化生产。

“在材料开发早期就必须考虑其制造可扩展性、环境可获得性及影响，这对未来技术应用至关重要，”电气工程与计算机科学系副教授 Farnaz Niroui 强调。

推动材料走向实际应用

尽管研究中评估的许多拓扑材料尚未实际合成，影响了其环境与成本预测的准确性，但研究团队已与相关企业展开合作，对筛选出的潜力材料进行实验验证。

“半导体行业人士对我们筛选出的部分材料表现出浓厚兴趣，”电气工程与计算机科学系教授 Tomas Palacios 表示，“化学领域的合作者也认为这些材料极具研究价值。接下来我们将通过实验进一步探索这些低成本拓扑材料的性能。”

Liang Fu 补充道：“传统太阳能电池的理论效率极限为 34%，而许多拓扑材料的理论极限可达 89%。它们还能在全电磁波段收集能量，甚至包括人体散发的热量。这些特性已在实验室中得到验证，但始终受制于规模化难题。这正是我们努力突破的方向。”

该研究得到了美国国家科学基金会和美国能源部的部分资助。

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