La gente suele pensar en los materiales cuánticos, cuyas propiedades surgen de los efectos de la mecánica cuántica, como curiosidades exóticas. Sin embargo, algunos materiales cuánticos se han vuelto omnipresentes en los discos duros de nuestros ordenadores, pantallas de televisión y dispositivos médicos. Aun así, la gran mayoría de los materiales cuánticos no logran mucho fuera del laboratorio.

¿Qué hace que ciertos materiales cuánticos sean un éxito comercial y otros irrelevantes? Si los investigadores lo supieran, podrían centrar sus esfuerzos en materiales más prometedores, algo fundamental, ya que podrían pasar años estudiando un solo material.

Ahora, investigadores del MIT han desarrollado un sistema para evaluar el potencial de ampliación de los materiales cuánticos. Su marco combina el comportamiento cuántico de un material con su coste, la resiliencia de la cadena de suministro, la huella ambiental y otros factores. Los investigadores utilizaron su marco para evaluar más de 16.000 materiales y descubrieron que los materiales con la mayor fluctuación cuántica en el centro de sus electrones también tienden a ser más caros y perjudiciales para el medio ambiente. Los investigadores también identificaron un conjunto de materiales que logran un equilibrio entre la funcionalidad cuántica y la sostenibilidad para su posterior estudio.

El equipo espera que su enfoque ayude a guiar el desarrollo de materiales cuánticos comercialmente más viables que puedan usarse para la microelectrónica de próxima generación, aplicaciones de recolección de energía, diagnósticos médicos y más.

“Quienes estudian materiales cuánticos se centran mucho en sus propiedades y la mecánica cuántica”, afirma Mingda Li, profesora asociada de ciencias e ingeniería nuclear y autora principal del trabajo. “Por alguna razón, durante la investigación fundamental de materiales, se resisten instintivamente a considerar los costos y otros factores. Algunos me comentaron que consideran que estos factores son demasiado sutiles o no tienen relación con la ciencia. Pero creo que dentro de 10 años, se estará pensando habitualmente en el costo y el impacto ambiental en cada etapa del desarrollo”.

El artículo aparece en Materials Today . Junto a Li en el artículo están los coautores principales y estudiantes de doctorado Artittaya Boonkird, Mouyang Cheng y Abhijatmedhi Chotrattanapituk, junto con los estudiantes de doctorado Denisse Cordova Carrizales y Ryotaro Okabe; los ex asistentes de investigación de posgrado Thanh Nguyen y Nathan Drucker; el posdoctorado Manasi Mandal; el instructor Ellan Spero del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales (DMSE); la profesora Christine Ortiz del Departamento de DMSE; el profesor Liang Fu del Departamento de Física; el profesor Tomas Palacios del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS); el profesor asociado Farnaz Niroui de EECS; el profesor asistente Jingjie Yeo de la Universidad de Cornell; y el estudiante de doctorado Vsevolod Belosevich y el profesor adjunto Qiong Ma del Boston College.

Materiales con impacto

Cheng y Boonkird dicen que los investigadores en ciencia de los materiales a menudo gravitan hacia materiales cuánticos con las propiedades cuánticas más exóticas en lugar de aquellos que tienen más probabilidades de usarse en productos que cambien el mundo.

“Los investigadores no siempre consideran los costos ni el impacto ambiental de los materiales que estudian”, afirma Cheng. “Pero esos factores pueden imposibilitar cualquier acción con ellos”.

Li y sus colaboradores querían ayudar a los investigadores a centrarse en materiales cuánticos con mayor potencial de adopción industrial. Para este estudio, desarrollaron métodos para evaluar factores como el precio y el impacto ambiental de los materiales, utilizando sus elementos y las prácticas comunes de extracción y procesamiento de dichos elementos. Al mismo tiempo, cuantificaron el nivel de "cuantidad" de los materiales mediante un modelo de IA creado por el mismo grupo el año pasado, basado en un concepto propuesto por el profesor de física del MIT Liang Fu, denominado peso cuántico.

“Durante mucho tiempo, no ha estado claro cómo cuantificar la cuántica de un material”, afirma Fu. “El peso cuántico es muy útil para este propósito. Básicamente, cuanto mayor es el peso cuántico de un material, más cuántico es”.

Los investigadores se centraron en una clase de materiales cuánticos con propiedades electrónicas exóticas, conocidos como materiales topológicos, y finalmente asignaron a más de 16.000 materiales puntuaciones en términos de impacto ambiental, precio, resiliencia a las importaciones y más.

Por primera vez, los investigadores encontraron una fuerte correlación entre el peso cuántico del material y lo costoso y dañino que es para el medio ambiente.

“Esa información es útil porque la industria realmente busca algo de muy bajo costo”, dice Spero. “Sabemos lo que deberíamos buscar: materiales de alto peso cuántico y bajo costo. Muy pocos materiales en desarrollo cumplen con esos criterios, y eso probablemente explica por qué no se adaptan a la industria”.

Los investigadores identificaron 200 materiales ambientalmente sustentables y refinaron aún más la lista a 31 materiales candidatos que lograron un equilibrio óptimo entre funcionalidad cuántica e impacto de alto potencial.

Los investigadores también descubrieron que varios materiales ampliamente estudiados presentan altos índices de impacto ambiental, lo que indica que será difícil escalarlos de forma sostenible. «Considerar la escalabilidad de la fabricación, la disponibilidad y el impacto ambiental es fundamental para garantizar la adopción práctica de estos materiales en las tecnologías emergentes», afirma Niroui.

Orientación de la investigación

Muchos de los materiales topológicos evaluados en el artículo nunca se han sintetizado, lo que limitó la precisión de las predicciones ambientales y de costos del estudio. Sin embargo, los autores afirman que los investigadores ya están trabajando con empresas para estudiar algunos de los materiales prometedores identificados en el artículo.

“Hablamos con personas de empresas de semiconductores que comentaron que algunos de estos materiales les resultaron muy interesantes, y nuestros colaboradores químicos también identificaron otros materiales que les resultan muy interesantes gracias a este trabajo”, afirma Palacios. “Ahora queremos estudiar experimentalmente estos materiales topológicos más económicos para comprender mejor su rendimiento”.

“Las células solares tienen un límite de eficiencia del 34 %, pero muchos materiales topológicos tienen un límite teórico del 89 %. Además, se puede captar energía en todas las bandas electromagnéticas, incluido el calor corporal”, afirma Fu. “Si pudiéramos alcanzar esos límites, podríamos cargar fácilmente un teléfono móvil usando el calor corporal. Estos son rendimientos que se han demostrado en laboratorios, pero que nunca se podrían ampliar. Ese es el tipo de cosas que estamos intentando impulsar”.

Este trabajo fue apoyado, en parte, por la Fundación Nacional de Ciencias y el Departamento de Energía de EE. UU.

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