Prečo niektoré kvantové materiály zlyhávajú, zatiaľ čo iné prosperujú
Nový systém hodnotenia od výskumníkov MIT odhaľuje potenciál kvantových materiálov
Kvantové materiály, ktorých vlastnosti vychádzajú z kvantových mechanických efektov, sú často považované za exotické kuriozity. Niektoré z nich sa však už stali bežnou súčasťou našich pevných diskov, televíznych obrazoviek a lekárskych prístrojov. Napriek tomu väčšina kvantových materiálov nikdy neopustí laboratórium. Čo teda rozhoduje o komerčnom úspechu či neúspechu týchto materiálov?
Kľúčové faktory úspechu kvantových materiálov
Výskumníci z MIT vyvinuli systém na hodnotenie potenciálu kvantových materiálov na rozšírenie do komerčnej sféry. Ich rámec kombinuje:
- Kvantové správanie materiálu
- Náklady
- Odolnosť dodávateľského reťazca
- Environmentálnu stopu
Tento prístup by mohol nasmerovať výskum k sľubným materiálom s väčším potenciálom pre praktické využitie.
Hodnotenie viac ako 16 000 materiálov
Tím použil svoj rámec na vyhodnotenie viac ako 16 000 materiálov a došiel k niekoľkým zaujímavým zisteniam:
- Materiály s najvyššou kvantovou fluktuáciou v centrách elektrónov bývajú drahšie a ekologicky škodlivejšie.
- Bolo identifikovaných 200 environmentálne udržateľných materiálov.
- Z nich bolo vybraných 31 kandidátov s optimálnou rovnováhou medzi kvantovou funkčnosťou a potenciálnym dopadom.
Kvantifikácia “kvantovosti”
Na kvantifikáciu miery “kvantovosti” materiálu výskumníci použili koncept kvantovej váhy, navrhnutý profesorom fyziky na MIT Liangem Fu:
“Čím vyššia je kvantová váha materiálu, tým viac je kvantový.” - Liang Fu
Tento prístup umožnil prvýkrát nájsť silnú koreláciu medzi kvantovou váhou materiálu a jeho cenou a ekologickou záťažou.
Význam pre priemysel
Tieto zistenia sú kľúčové pre priemyselné využitie:
“Vieme, čo by sme mali hľadať: materiály s vysokou kvantovou váhou a nízkou cenou. Veľmi málo vyvíjaných materiálov spĺňa tieto kritériá, čo pravdepodobne vysvetľuje, prečo sa nerozširujú do priemyslu.” - Ellan Spero, inštruktorka na Katedre materiálových vied a inžinierstva MIT
Budúci potenciál
Topologické materiály, ktoré boli v tejto štúdii hodnotené, majú obrovský teoretický potenciál:
- Solárne články majú limit účinnosti 34%, zatiaľ čo mnoho topologických materiálov má teoretický limit 89%.
- Môžu žať energiu naprieč všetkými elektromagnetickými pásmami, vrátane tepla ľudského tela.
“Ak by sme mohli dosiahnuť tieto limity, mohli by ste ľahko nabíjať svoj mobilný telefón pomocou telesného tepla. Sú to výkony, ktoré boli preukázané v laboratóriách, ale nikdy sa nerozšírili. To je typ vecí, ktoré sa snažíme posunúť vpred.” - Liang Fu
Záver
Tento nový prístup k hodnoteniu kvantových materiálov má potenciál zmeniť spôsob, akým výskumníci pristupujú k vývoju nových materiálov. Zohľadnením nielen kvantových vlastností, ale aj praktických aspektov ako sú náklady a udržateľnosť, môžeme urýchliť cestu od laboratórnych objavov k reálnym aplikáciám, ktoré zmenia svet.
Kľúčové slová: kvantové materiály, výskum, komercionalizácia, udržateľnosť, MIT
Tento výskum bol podporený National Science Foundation a U.S. Department of Energy.