Proč některé kvantové materiály selhávají, zatímco jiné prosperují
Nový systém hodnocení od výzkumníků MIT odhaluje potenciál kvantových materiálů
Kvantové materiály, jejichž vlastnosti vycházejí z kvantových mechanických efektů, jsou často považovány za exotické kuriozity. Některé z nich se však již staly běžnou součástí našich pevných disků, televizních obrazovek a lékařských přístrojů. Přesto většina kvantových materiálů nikdy neopustí laboratoř. Co tedy rozhoduje o komerčním úspěchu či neúspěchu těchto materiálů?
Klíčové faktory úspěchu kvantových materiálů
Výzkumníci z MIT vyvinuli systém pro hodnocení potenciálu kvantových materiálů k rozšíření do komerční sféry. Jejich rámec kombinuje:
- Kvantové chování materiálu
- Náklady
- Odolnost dodavatelského řetězce
- Environmentální stopu
Tento přístup by mohl nasměrovat výzkum k slibným materiálům s větším potenciálem pro praktické využití.
Hodnocení více než 16 000 materiálů
Tým použil svůj rámec k vyhodnocení více než 16 000 materiálů a došel k několika zajímavým zjištěním:
- Materiály s nejvyšší kvantovou fluktuací v centrech elektronů bývají dražší a ekologicky škodlivější.
- Bylo identifikováno 200 environmentálně udržitelných materiálů.
- Z nich bylo vybráno 31 kandidátů s optimální rovnováhou mezi kvantovou funkčností a potenciálním dopadem.
Kvantifikace “kvantovosti”
Pro kvantifikaci míry “kvantovosti” materiálu výzkumníci použili koncept kvantové váhy, navržený profesorem fyziky na MIT Liangem Fu:
“Čím vyšší je kvantová váha materiálu, tím více je kvantový.” - Liang Fu
Tento přístup umožnil poprvé najít silnou korelaci mezi kvantovou vahou materiálu a jeho cenou a ekologickou zátěží.
Význam pro průmysl
Tato zjištění jsou klíčová pro průmyslové využití:
“Víme, co bychom měli hledat: materiály s vysokou kvantovou vahou a nízkou cenou. Velmi málo vyvíjených materiálů splňuje tato kritéria, což pravděpodobně vysvětluje, proč se nerozšiřují do průmyslu.” - Ellan Spero, instruktorka na Katedře materiálových věd a inženýrství MIT
Budoucí potenciál
Topologické materiály, které byly v této studii hodnoceny, mají obrovský teoretický potenciál:
- Solární články mají limit účinnosti 34%, zatímco mnoho topologických materiálů má teoretický limit 89%.
- Mohou sklízet energii napříč všemi elektromagnetickými pásmy, včetně tepla lidského těla.
“Pokud bychom mohli dosáhnout těchto limitů, mohli byste snadno nabíjet svůj mobilní telefon pomocí tělesného tepla. Jsou to výkony, které byly prokázány v laboratořích, ale nikdy se nerozšířily. To je typ věcí, které se snažíme posunout vpřed.” - Liang Fu
Závěr
Tento nový přístup k hodnocení kvantových materiálů má potenciál změnit způsob, jakým výzkumníci přistupují k vývoji nových materiálů. Zohledněním nejen kvantových vlastností, ale i praktických aspektů jako jsou náklady a udržitelnost, můžeme urychlit cestu od laboratorních objevů k reálným aplikacím, které změní svět.
Klíčová slova: kvantové materiály, výzkum, komercionalizace, udržitelnost, MIT
Tento výzkum byl podpořen National Science Foundation a U.S. Department of Energy.