As pessoas tendem a pensar em materiais quânticos — cujas propriedades surgem de efeitos da mecânica quântica — como curiosidades exóticas. Mas alguns materiais quânticos se tornaram parte onipresente dos discos rígidos de nossos computadores, telas de TV e dispositivos médicos. Ainda assim, a grande maioria dos materiais quânticos nunca realiza muito fora do laboratório.

O que torna certos materiais quânticos um sucesso comercial e outros irrelevantes comercialmente? Se os pesquisadores soubessem, poderiam direcionar seus esforços para materiais mais promissores — um grande avanço, já que podem passar anos estudando um único material.

Agora, pesquisadores do MIT desenvolveram um sistema para avaliar o potencial de ampliação de escala de materiais quânticos. Sua estrutura combina o comportamento quântico de um material com seu custo, resiliência da cadeia de suprimentos, impacto ambiental e outros fatores. Os pesquisadores utilizaram sua estrutura para avaliar mais de 16.000 materiais, descobrindo que os materiais com a maior flutuação quântica nos centros de seus elétrons também tendem a ser mais caros e ambientalmente prejudiciais. Os pesquisadores também identificaram um conjunto de materiais que alcançam um equilíbrio entre funcionalidade quântica e sustentabilidade para estudos mais aprofundados.

A equipe espera que sua abordagem ajude a orientar o desenvolvimento de materiais quânticos mais comercialmente viáveis que possam ser usados para microeletrônica de próxima geração, aplicações de coleta de energia, diagnósticos médicos e muito mais.

“Pessoas que estudam materiais quânticos estão muito focadas em suas propriedades e na mecânica quântica”, diz Mingda Li, professora associada de ciência e engenharia nuclear e autora sênior do trabalho. “Por algum motivo, elas têm uma resistência natural, durante a pesquisa de materiais fundamentais, a pensar nos custos e outros fatores. Alguns me disseram que acham esses fatores muito 'leves' ou não relacionados à ciência. Mas acredito que, dentro de 10 anos, as pessoas estarão rotineiramente pensando em custos e impacto ambiental em todas as etapas do desenvolvimento.”

O artigo aparece em Materials Today . Juntando-se a Li no artigo estão os coautores e alunos de doutorado Artittaya Boonkird, Mouyang Cheng e Abhijatmedhi Chotrattanapituk, juntamente com os alunos de doutorado Denisse Cordova Carrizales e Ryotaro Okabe; os ex-assistentes de pesquisa de pós-graduação Thanh Nguyen e Nathan Drucker; o pós-doutorado Manasi Mandal; o instrutor Ellan Spero do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais (DMSE); a professora Christine Ortiz do Departamento de DMSE; o professor Liang Fu do Departamento de Física; o professor Tomas Palacios do Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS); o professor associado Farnaz Niroui do EECS; o professor assistente Jingjie Yeo da Universidade Cornell; e o aluno de doutorado Vsevolod Belosevich e o professor assistente Qiong Ma do Boston College.

Cheng e Boonkird dizem que os pesquisadores de ciência de materiais geralmente gravitam em direção a materiais quânticos com as propriedades quânticas mais exóticas, em vez daqueles com maior probabilidade de serem usados em produtos que mudam o mundo.

Li e seus colaboradores queriam ajudar os pesquisadores a se concentrarem em materiais quânticos com maior potencial de adoção pela indústria. Para este estudo, eles desenvolveram métodos para avaliar fatores como o preço dos materiais e o impacto ambiental, utilizando seus elementos e práticas comuns de mineração e processamento desses elementos. Ao mesmo tempo, quantificaram o nível de "quanticidade" dos materiais usando um modelo de IA criado pelo mesmo grupo no ano passado, com base em um conceito proposto por Liang Fu, professor de física do MIT, denominado peso quântico.

“Por muito tempo, não ficou claro como quantificar a quanticidade de um material”, diz Fu. “O peso quântico é muito útil para esse propósito. Basicamente, quanto maior o peso quântico de um material, mais quântico ele é.”

Os pesquisadores se concentraram em uma classe de materiais quânticos com propriedades eletrônicas exóticas, conhecidos como materiais topológicos, e acabaram atribuindo a mais de 16.000 materiais pontuações sobre impacto ambiental, preço, resiliência à importação e muito mais.

Pela primeira vez, os pesquisadores encontraram uma forte correlação entre o peso quântico do material e o quão caro e prejudicial ao meio ambiente ele é.

“Essa informação é útil porque a indústria realmente quer algo de baixíssimo custo”, diz Spero. “Sabemos o que devemos procurar: materiais de alto peso quântico e baixo custo. Pouquíssimos materiais em desenvolvimento atendem a esse critério, e isso provavelmente explica por que eles não se adaptam à indústria.”

Os pesquisadores identificaram 200 materiais ambientalmente sustentáveis e refinaram ainda mais a lista para 31 materiais candidatos que alcançaram um equilíbrio ideal de funcionalidade quântica e alto potencial de impacto.

Os pesquisadores também descobriram que diversos materiais amplamente estudados apresentam altos índices de impacto ambiental, indicando que será difícil escaloná-los de forma sustentável. "Considerar a escalabilidade da fabricação, a disponibilidade e o impacto ambiental é fundamental para garantir a adoção prática desses materiais em tecnologias emergentes", afirma Niroui.

Muitos dos materiais topológicos avaliados no artigo nunca foram sintetizados, o que limitou a precisão das previsões ambientais e de custos do estudo. Mas os autores afirmam que os pesquisadores já estão trabalhando com empresas para estudar alguns dos materiais promissores identificados no artigo.

“Conversamos com pessoas de empresas de semicondutores que disseram que alguns desses materiais eram realmente interessantes para elas, e nossos colaboradores químicos também identificaram alguns materiais que consideram realmente interessantes por meio deste trabalho”, diz Palacios. “Agora, queremos estudar experimentalmente esses materiais topológicos mais baratos para entender melhor seu desempenho.”

“As células solares têm um limite de eficiência de 34%, mas muitos materiais topológicos têm um limite teórico de 89%. Além disso, é possível coletar energia em todas as bandas eletromagnéticas, incluindo o calor do nosso corpo”, diz Fu. “Se conseguíssemos atingir esses limites, poderíamos facilmente carregar nosso celular usando o calor do corpo. Esses são desempenhos que já foram demonstrados em laboratório, mas nunca poderiam ser ampliados. É esse tipo de coisa que estamos tentando impulsionar.”

Este trabalho foi apoiado, em parte, pela National Science Foundation e pelo Departamento de Energia dos EUA.