Esiste un paradosso inerente ai materiali quantistici che gli scienziati hanno finalmente deciso di affrontare. Mentre alcuni di questi materiali dalle proprietà straordinarie sono diventati componenti essenziali di hard disk, schermi televisivi e dispositivi medici che usiamo quotidianamente, la stragrande maggioranza non riesce mai ad abbandonare i confini del laboratorio. Un gruppo di ricercatori del MIT ha ora sviluppato un sistema per capire perché questo accade, creando uno strumento che potrebbe rivoluzionare il modo in cui vengono selezionati i materiali quantistici da studiare.
La scoperta più significativa emersa dall'analisi di oltre 16.000 materiali è stata una correlazione inaspettata: i materiali con le fluttuazioni quantistiche più elevate nel nucleo dei loro elettroni tendono sistematicamente ad essere più costosi e dannosi per l'ambiente. Questo dato spiega molte cose sul perché tecnologie promettenti restino confinate nei laboratori universitari. Il team ha però anche identificato un gruppo selezionato di materiali che riescono a bilanciare funzionalità quantistica e sostenibilità, offrendo concrete prospettive di applicazione industriale.
Il problema di fondo, secondo Mingda Li, professore associato di ingegneria nucleare e principale autore dello studio pubblicato su Materials Today, risiede nell'approccio stesso della comunità scientifica. "Chi studia i materiali quantistici è molto concentrato sulle loro proprietà e sulla meccanica quantistica", spiega Li. "Per qualche ragione, durante la ricerca fondamentale mostrano una resistenza naturale a considerare i costi e altri fattori. Alcuni mi hanno detto che pensano siano aspetti troppo 'vaghi' o non legati alla scienza."
Il concetto di "quantum weight", o peso quantistico, introdotto dal professor Liang Fu del MIT, ha permesso per la prima volta di quantificare oggettivamente quanto un materiale sia effettivamente quantistico. Maggiore è il peso quantistico, più pronunciate sono le proprietà quantistiche del materiale. Utilizzando un modello di intelligenza artificiale sviluppato dal gruppo l'anno precedente, i ricercatori hanno potuto combinare questa misura con valutazioni pratiche su prezzo, impatto ambientale e resilienza della catena di approvvigionamento.
I co-autori principali Mouyang Cheng e Artittaya Boonkird sottolineano come la tendenza dei ricercatori sia quella di gravitare verso materiali con le proprietà quantistiche più esotiche, piuttosto che verso quelli con maggiori possibilità di essere effettivamente utilizzati in prodotti commerciali. "I ricercatori non pensano sempre ai costi o agli impatti ambientali dei materiali che studiano", osserva Cheng. "Ma questi fattori possono renderli impossibili da utilizzare nella pratica."
Lo studio si è concentrato su una classe particolare di materiali quantistici chiamati materiali topologici, noti per le loro proprietà elettroniche particolari. Dalla valutazione iniziale di oltre 16.000 candidati, i ricercatori hanno identificato 200 materiali ecosostenibili, raffinando successivamente la lista fino a 31 candidati che raggiungono un equilibrio ottimale tra funzionalità quantistica e potenziale impatto applicativo. Come evidenzia Ellan Spero, docente del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali, l'industria cerca proprio questo: "materiali con alto peso quantistico e basso costo. Pochissimi materiali in fase di sviluppo soddisfano questi criteri, e questo probabilmente spiega perché non arrivano alla scala industriale."
Le potenzialità di questi materiali sono impressionanti. Le celle solari convenzionali hanno un limite teorico di efficienza del 34%, mentre molti materiali topologici potrebbero teoricamente raggiungere l'89%. Come spiega il professor Fu, questi materiali possono raccogliere energia attraverso tutte le bande elettromagnetiche, compreso il calore corporeo. "Se potessimo raggiungere quei limiti, potresti facilmente caricare il tuo cellulare usando il calore del corpo", afferma. "Queste sono prestazioni che sono state dimostrate in laboratorio, ma non hanno mai potuto essere ampliate."
La professoressa associata Farnaz Niroui del Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica sottolinea l'importanza dell'approccio adottato: "Considerare la scalabilità della produzione, la disponibilità ambientale e l'impatto è fondamentale per garantire l'adozione pratica di questi materiali nelle tecnologie emergenti." Il professor Tomas Palacios dello stesso dipartimento rivela che diverse aziende di semiconduttori hanno già espresso interesse per alcuni dei materiali identificati nello studio, e i collaboratori chimici stanno pianificando di studiarli sperimentalmente.
Un limite dello studio deriva dal fatto che molti dei materiali topologici valutati non sono mai stati sintetizzati, il che ha ridotto la precisione delle previsioni ambientali ed economiche. Tuttavia, Li prevede che entro dieci anni la considerazione di costi e impatto ambientale diventerà routine in ogni fase dello sviluppo dei materiali. Le applicazioni potenziali spaziano dalla microelettronica di nuova generazione alla raccolta di energia, dalla diagnostica medica a tecnologie ancora da immaginare, ma solo se la comunità scientifica inizierà a valutare i materiali quantistici con criteri che vanno oltre la pura esoticità delle loro proprietà.