Les gens ont tendance à considérer les matériaux quantiques, dont les propriétés découlent des effets de la mécanique quantique, comme des curiosités exotiques. Mais certains matériaux quantiques sont devenus omniprésents dans nos disques durs d’ordinateurs, nos écrans de télévision et nos appareils médicaux. Pourtant, la grande majorité des matériaux quantiques n’apportent jamais grand-chose en dehors du laboratoire.
Qu’est-ce qui rend certains succès commerciaux de matériaux quantiques et d’autres commercialement non pertinents ? Si les chercheurs le savaient, ils pourraient concentrer leurs efforts sur des matériaux plus prometteurs – ce qui serait un gros problème puisqu’ils pourraient passer des années à étudier un seul matériau.
Aujourd’hui, les chercheurs du MIT ont développé un système permettant d’évaluer le potentiel de mise à l’échelle des matériaux quantiques. Leur cadre combine le comportement quantique d'un matériau avec son coût, la résilience de la chaîne d'approvisionnement, son empreinte environnementale et d'autres facteurs.
Les chercheurs ont utilisé leur cadre pour évaluer plus de 16 000 matériaux, constatant que les matériaux présentant la plus forte fluctuation quantique au centre de leurs électrons ont également tendance à être plus chers et plus dommageables pour l'environnement. Les chercheurs ont également identifié un ensemble de matériaux qui atteignent un équilibre entre fonctionnalité quantique et durabilité pour une étude plus approfondie.
L’équipe espère que leur approche contribuera à guider le développement de matériaux quantiques plus commercialement viables qui pourraient être utilisés pour la microélectronique de nouvelle génération, les applications de récupération d’énergie, les diagnostics médicaux, etc. Leur étude est publiée dans la revue Les matériaux aujourd'hui.
« Les personnes qui étudient les matériaux quantiques sont très concentrées sur leurs propriétés et la mécanique quantique », explique Mingda Li, professeur agrégé de sciences et d'ingénierie nucléaires et auteur principal de l'ouvrage. « Pour une raison ou une autre, ils éprouvent une résistance naturelle à l'idée, lors de la recherche fondamentale sur les matériaux, de penser aux coûts et à d'autres facteurs. Certains m'ont dit qu'ils pensent que ces facteurs sont trop « insignifiants » ou sans rapport avec la science. Mais je pense que d'ici 10 ans, les gens penseront systématiquement aux coûts et à l'impact environnemental à chaque étape du développement. «
Matériaux à impact
Les co-auteurs Mouyang Cheng et Artittaya Boonkird affirment que les chercheurs en science des matériaux se tournent souvent vers les matériaux quantiques dotés des propriétés quantiques les plus exotiques plutôt que vers ceux les plus susceptibles d'être utilisés dans des produits qui changent le monde.
« Les chercheurs ne pensent pas toujours aux coûts ou aux impacts environnementaux des matériaux qu'ils étudient », explique Cheng. « Mais ces facteurs peuvent rendre impossible toute action avec eux. »
Li et ses collaborateurs voulaient aider les chercheurs à se concentrer sur les matériaux quantiques ayant plus de potentiel pour être adoptés par l'industrie. Pour cette étude, ils ont développé des méthodes d'évaluation de facteurs tels que le prix des matériaux et l'impact environnemental en utilisant leurs éléments et les pratiques courantes d'extraction et de traitement de ces éléments. Dans le même temps, ils ont quantifié le niveau de « quantité » des matériaux à l'aide d'un modèle d'IA créé par le même groupe l'année dernière, basé sur un concept proposé par le professeur de physique du MIT, Liang Fu, appelé poids quantique.
« Pendant longtemps, on ne savait pas comment quantifier le caractère quantique d'un matériau », explique Fu. « Le poids quantique est très utile à cette fin. Fondamentalement, plus le poids quantique d'un matériau est élevé, plus il est quantique. »
Les chercheurs se sont concentrés sur une classe de matériaux quantiques dotés de propriétés électroniques exotiques, appelés matériaux topologiques, et ont finalement attribué à plus de 16 000 scores de matériaux en termes d’impact environnemental, de prix, de résilience aux importations, etc.
Pour la première fois, les chercheurs ont découvert une forte corrélation entre le poids quantique du matériau et son coût et son impact environnemental.
« C'est une information utile car l'industrie veut vraiment quelque chose de très peu coûteux », explique Ellan Spero, instructeur au Département de science et d'ingénierie des matériaux. « Nous savons ce que nous devrions rechercher : des matériaux à poids quantique élevé et à faible coût. Très peu de matériaux développés répondent à ces critères, ce qui explique probablement pourquoi ils ne sont pas adaptés à l'industrie. »
Les chercheurs ont identifié 200 matériaux écologiquement durables et ont affiné la liste jusqu'à 31 matériaux candidats qui ont atteint un équilibre optimal entre fonctionnalité quantique et impact à haut potentiel.
Les chercheurs ont également découvert que plusieurs matériaux largement étudiés présentent des scores d’impact environnemental élevés, ce qui indique qu’ils seront difficiles à mettre à l’échelle de manière durable. « La prise en compte de l'évolutivité de la fabrication ainsi que de la disponibilité et de l'impact sur l'environnement est essentielle pour garantir l'adoption pratique de ces matériaux dans les technologies émergentes », déclare le professeur agrégé Farnaz Niroui du Département de génie électrique et d'informatique (EECS).
Orienter la recherche
De nombreux matériaux topologiques évalués dans l'article n'ont jamais été synthétisés, ce qui a limité la précision des prévisions environnementales et financières de l'étude. Mais les auteurs affirment que les chercheurs travaillent déjà avec des entreprises pour étudier certains des matériaux prometteurs identifiés dans l'article.
« Nous avons discuté avec des personnes travaillant dans des entreprises de semi-conducteurs qui nous ont dit que certains de ces matériaux les intéressaient vraiment, et nos collaborateurs chimistes ont également identifié certains matériaux qu'ils trouvent vraiment intéressants grâce à ces travaux », explique le professeur Tomas Palacios de l'EECS. « Nous souhaitons maintenant étudier expérimentalement ces matériaux topologiques moins chers pour mieux comprendre leurs performances. »
« Les cellules solaires ont une limite d'efficacité de 34 %, mais de nombreux matériaux topologiques ont une limite théorique de 89 %. De plus, vous pouvez récupérer de l'énergie sur toutes les bandes électromagnétiques, y compris la chaleur de notre corps », explique Fu. « Si nous pouvions atteindre ces limites, vous pourriez facilement recharger votre téléphone portable en utilisant la chaleur corporelle. Ce sont des performances qui ont été démontrées en laboratoire, mais qui ne pourront jamais être étendues. C'est le genre de chose que nous essayons de faire avancer. »
