量子材料产业化？从1.6万里挑出31个希望，医疗领域或取得大突破

今日快讯 2025年10月18日 22:17 0 aa

前言：

你身边的硬盘驱动器、手机屏幕，甚至去医院做检查用的医疗仪器，其实都藏着量子材料的影子。

这些靠量子力学效应工作的特殊材料，早就是现代科技的“隐形功臣”。

可奇怪的是，实验室里层出不穷的量子材料，99%都卡在了产业化的路上，明明性能亮眼，却始终没法走进现实应用。

到底是什么拦住了它们？是成本太高，还是生产难度太大？麻省理工学院（MIT）的研究团队最近给出了答案。

海底捞针

他们花了大量时间，搭建出一套全新的评估框架，一口气分析了1.6万种量子材料，不仅找到了产业化难的核心症结，还筛选出31种能平衡性能与实用性的“潜力股”。

这事儿不光给科研圈提了个醒，更可能让下一代微电子、医疗诊断技术的落地速度，直接快进好几年。量子材料的厉害之处，在于它的物理特性由量子力学效应主导。

比如有些材料能在特定条件下实现零电阻导电，有些则能精准捕捉电磁波，这些特性让科研人员兴奋不已。

过去几年，全球实验室里新发现的量子材料数量翻了好几倍，论文一篇接一篇发，但真正能批量生产、走进市场的，一只手都数得过来。

问题到底出在哪？很多科研人员一开始把原因归为“技术还没成熟”，觉得再研究几年就能解决。可MIT的研究团队发现，根本不是这么回事。

他们在分析中发现，很多被寄予厚望的量子材料，从“出生”那天起就带着“产业化缺陷”，要么组成材料的元素特别稀有，开采成本高得吓人。

要么生产过程中会产生大量污染物，环境代价太大；还有些材料依赖进口，供应链稍微出点问题，生产就会断档。

就像之前很火的一种拓扑绝缘体材料，在实验室里能高效传导电子，被认为是下一代芯片的理想材料。

可MIT团队一算账发现，这种材料里含有的稀有金属，每公斤价格超过2万元，而且全球90%的产量集中在一个国家，别说大规模生产，就算小批量应用，成本和供应链风险都让人望而却步。

核科学与工程系的MingdaLi副教授说得很实在：“搞量子材料的人，以前都盯着物理特性不放，觉得成本、环境这些事儿是产业界该操心的，跟基础研究没关系。

但现在看来，要是从一开始不考虑这些，就算材料性能再好，最后也只能躺在实验室的样品盒里。”

为了改变这种“只顾研究、不管应用”的现状，MIT团队花了一年多时间，搭建出一套能给量子材料“全面体检”的评估框架。

这套框架最核心的思路，就是不再只看材料的量子性能，而是同时算好“三本账”。量子性能账、经济成本账、环境影响账。

首先是“量子性能账”。团队之前开发过一个人工智能模型，还提出了“量子权重”的概念。这个“量子权重”就像材料的“量子力评分”，权重越高，说明材料的量子特性越强，比如电子量子涨落越明显，在特殊领域的应用潜力就越大。

他们用这个模型，给1.6万种材料的“量子力”做了精准打分。

然后是“经济成本账”。团队会根据材料的元素构成，去查每种元素的开采成本、加工费用，还要考虑供应链的稳定性。

比如某种材料里如果含有锂、钴这类稀缺资源，成本分就会高；如果依赖进口比例超过50%，供应链韧性分就会拉低。最后是“环境影响账”。

量子材料获成功

他们会计算材料从开采到加工的整个生命周期里，会产生多少碳排放、多少污染物，甚至会考虑开采过程对生态环境的破坏。

比如有些稀土元素的开采，每生产1吨就会造成上百平方米土地的污染，这种材料的环境影响分就会很低。

把这三方面的分数加起来，每种材料的“产业化潜力”就一目了然了。团队在分析中发现了一个很关键的规律：材料的量子权重和成本、环境影响几乎是“正相关”。

量子权重越高的材料，往往成本也越高，对环境的破坏也越大。这也解释了为什么很多高性能量子材料，一直没法规模化应用。

材料科学与工程系的EllanSpero讲师说：“工业界其实特别需要低成本的量子材料，但现在能同时满足高量子权重和低成本的材料，一百种里都难找出一种。

这套框架就是帮大家提前看清，哪些材料值得花时间深入研究，哪些从一开始就没希望落地。”

经过层层筛选，1.6万种材料里，先是有200种材料凭借较好的环境可持续性脱颖而出，接着又有31种材料在量子性能、成本、环境影响三者之间，找到了最佳平衡点，成为团队重点推荐的“产业化候选材料”。

这31种材料里，大部分是拓扑材料。这类材料有着特殊的电子结构，在导电、能量收集等领域的表现尤为突出。

比如有些拓扑材料的理论太阳能转换效率能达到89%，而现在主流的传统太阳能电池，理论效率极限只有34%。

更厉害的是，这些拓扑材料还能吸收全波段的电磁波，就连人体散发的热量都能收集起来，转化成电能。

之前这些特性只在实验室里得到过验证，没人知道能不能规模化生产。

现在通过评估框架发现，有些拓扑材料的构成元素很常见，比如含有硅、碳这类低成本元素，开采和加工过程中的碳排放也很低，供应链还稳定。

这让产业界看到了希望。电气工程与计算机科学系的TomasPalacios教授透露，已经有半导体行业的企业主动联系他们，想对这些筛选出的材料进行实验验证。

前景宽广

“有些企业看完我们的评估报告，马上就说‘这正是我们要找的材料’。接下来我们会和企业合作，进一步测试这些材料的实际性能，争取尽快推进到量产阶段。”

而且这些拓扑材料的应用场景特别广。

除了能做高效太阳能电池，还能用于下一代微电子芯片，让芯片的能耗降低一半以上；在医疗诊断领域，用拓扑材料做的传感器，能更精准地检测出早期癌症细胞。

甚至在能量收集领域，以后可能在衣服里植入拓扑材料芯片，就能把人体运动产生的热量转化成电能，给手机充电。

MIT团队的这项研究，不光筛选出了31种潜力材料，更重要的是，它给整个量子材料科研圈提了个醒：科研不能再“闭门造车”，从一开始就要考虑产业化的可能性。

过去很多科研人员，觉得“成本”“环境”这些话题太“俗”，不如研究量子特性来得“高级”。

但MingdaLi副教授认为，未来十年里，成本和环境影响一定会成为量子材料研究的“必修课”。

“现在全球都在推动绿色科技、可持续发展，就算你的材料性能再强，如果不考虑这些，也很难拿到产业界的投资，更别说走进市场了。”

电气工程与计算机科学系的FarnazNiroui副教授也强调：“材料开发的早期阶段，就必须想清楚制造能不能规模化、原材料好不好获取、对环境有没有影响。这些问题要是等研究到后期才发现，之前花的几年时间可能就白搭了。”

结语：

目前，MIT团队已经把这套评估框架的核心方法公布了出来，还和美国国家科学基金会、能源部合作，计划进一步完善模型。

他们希望更多科研机构、企业能用上这套框架，让量子材料的研究少走弯路，更快地从实验室走向现实应用。

毕竟，不管是更高效的太阳能电池，还是更精准的医疗设备，最终都要落地到生活里，才能真正改变我们的生活。

而MIT团队做的，就是帮这些量子材料，打通从“实验室”到“市场”的最后一公里。

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