Kansrijke kwantummaterialen in kaart

MIT-onderzoekers hebben een systeem ontwikkeld om het opschalingspotentieel van kwantummaterialen te evalueren. Hun datagestuurde raamwerk combineert het kwantumgedrag van een materiaal met de kosten, de veerkracht van de toeleveringsketen, de ecologische voetafdruk en andere factoren.

Het onderzoek verschijnt in Materials Today.

Mensen beschouwen kwantummaterialen – waarvan de eigenschappen voortkomen uit kwantummechanische effecten – vaak als exotische curiosa. Maar sommige kwantummaterialen zijn een alomtegenwoordig onderdeel geworden van onze computerharde schijven, tv-schermen en medische apparaten. Toch presteert de overgrote meerderheid van de kwantummaterialen buiten het laboratorium nauwelijks.

Wat maakt bepaalde kwantummaterialen commercieel succesvol en andere commercieel irrelevant? Als onderzoekers dat wisten, zouden ze hun inspanningen kunnen richten op veelbelovende materialen – een groot voordeel, aangezien ze jaren bezig kunnen zijn met het bestuderen van één materiaal.

Onderzoekers van MIT hebben nu een systeem ontwikkeld om het opschalingspotentieel van kwantummaterialen te evalueren. Hun framework combineert het kwantumgedrag van een materiaal met de kosten, de veerkracht van de toeleveringsketen, de ecologische voetafdruk en andere factoren.

De onderzoekers gebruikten hun framework om meer dan 16.000 materialen te evalueren en ontdekten dat de materialen met de hoogste kwantumfluctuatie in de centra van hun elektronen vaak ook duurder en milieuschadelijker zijn. De onderzoekers identificeerden ook een reeks materialen die een balans bereiken tussen kwantumfunctionaliteit en duurzaamheid voor verder onderzoek.

Het team hoopt dat hun aanpak zal bijdragen aan de ontwikkeling van commercieel levensvatbare kwantummaterialen die gebruikt kunnen worden voor de volgende generatie micro-elektronica, energieopwekking, medische diagnostiek en meer.

Weerstand tegen praktisch denken

“Mensen die kwantummaterialen bestuderen, zijn erg gefocust op hun eigenschappen en kwantummechanica”, zegt Mingda Li, universitair hoofddocent nucleaire wetenschappen en techniek en hoofdauteur van het artikel. “Om de een of andere reden hebben ze tijdens fundamenteel materiaalonderzoek een natuurlijke weerstand tegen het nadenken over de kosten en andere factoren. Sommigen vertelden me dat ze denken dat die factoren te ‘soft’ zijn of niet relevant voor de wetenschap. Maar ik denk dat mensen binnen 10 jaar routinematig zullen nadenken over kosten en de impact op het milieu in elke ontwikkelingsfase.”

Materialen met impact

Co-eerste auteurs en promovendi Artittaya Boonkird en Mouyang Cheng zeggen dat onderzoekers in de materiaalkunde vaak aangetrokken worden tot kwantummaterialen met de meest exotische kwantumeigenschappen in plaats van de materialen die het meest waarschijnlijk gebruikt zullen worden in producten die de wereld veranderen. “Onderzoekers denken niet altijd na over de kosten of milieueffecten van de materialen die ze bestuderen”, zegt Cheng. “Maar die factoren kunnen het onmogelijk maken om er iets mee te doen.”

Kwantumniteit

Li en zijn medewerkers wilden onderzoekers helpen zich te richten op kwantummaterialen met een grotere potentie voor industriële toepassing. Voor deze studie ontwikkelden ze methoden om factoren zoals de prijs en de milieu-impact van de materialen te evalueren aan de hand van hun elementen en gangbare praktijken voor het delven en verwerken van die elementen. Tegelijkertijd kwantificeerden ze het niveau van ‘kwantumniteit’ van de materialen met behulp van een AI-model dat vorig jaar door dezelfde groep werd ontwikkeld, gebaseerd op een concept dat werd voorgesteld door Liang Fu, hoogleraar natuurkunde aan het MIT, genaamd kwantumgewicht.

“Het is lange tijd onduidelijk geweest hoe de kwantummassa van een materiaal gekwantificeerd moet worden”, zegt Fu. “Kwantumgewicht is hiervoor zeer nuttig. In principe geldt: hoe hoger het kwantumgewicht van een materiaal, hoe kwantumrijker het is.”

De onderzoekers concentreerden zich op een klasse kwantummaterialen met exotische elektronische eigenschappen, bekend als topologische materialen, en gaven uiteindelijk meer dan 16.000 materialen scores op basis van milieu-impact, prijs, importbestendigheid en meer.Ze vonden een sterke correlatie tussen het kwantumgewicht van het materiaal en hoe duur en milieubelastend het is.

Industrieel schaalbaar

“Dat is nuttige informatie, want de industrie wil echt iets heel goedkoops”, zegt Spero. “We weten waar we naar op zoek moeten zijn: materialen met een hoog kwantumgewicht en lage kosten. Er worden maar weinig materialen ontwikkeld die aan die criteria voldoen, en dat verklaart waarschijnlijk waarom ze niet op industriële schaal toepasbaar zijn.”

De onderzoekers identificeerden 200 milieuvriendelijke materialen en verfijnden de lijst verder tot 31 materiaalkandidaten die een optimale balans bereikten tussen kwantumfunctionaliteit en een hoge potentiële impact.

De onderzoekers ontdekten ook dat verschillende veel bestudeerde materialen hoge milieu-impactscores vertonen, wat aangeeft dat ze moeilijk duurzaam op te schalen zullen zijn. “Rekening houden met de schaalbaarheid van de productie en de beschikbaarheid en impact op het milieu is cruciaal om de praktische toepassing van deze materialen in opkomende technologieën te garanderen”, aldus Niroui.

Naar de praktijk

Veel van de topologische materialen die in het artikel worden geëvalueerd, zijn nog nooit gesynthetiseerd, wat de nauwkeurigheid van de milieu- en kostenvoorspellingen van het onderzoek beperkte. Maar de auteurs zeggen dat de onderzoekers al samenwerken met bedrijven om enkele van de veelbelovende materialen die in het artikel worden genoemd, te bestuderen.

“We spraken met mensen bij halfgeleiderbedrijven die aangaven dat sommige van deze materialen erg interessant voor hen waren, en onze chemici hebben door dit werk ook een aantal materialen geïdentificeerd die ze erg interessant vinden”, zegt Palacios. “Nu willen we deze goedkopere topologische materialen experimenteel bestuderen om hun prestaties beter te begrijpen.”

“Zonnecellen hebben een efficiëntielimiet van 34 procent, maar veel topologische materialen hebben een theoretische limiet van 89 procent. Bovendien kun je energie oogsten via alle elektromagnetische banden, inclusief onze lichaamswarmte”, zegt Fu. “Als we die limieten zouden bereiken, zou je je mobiele telefoon gemakkelijk kunnen opladen met lichaamswarmte. Deze prestaties zijn in laboratoria aangetoond, maar kunnen nooit worden opgeschaald. Dat is precies wat we proberen te bereiken.”