Los materiales cuánticos, conocidos por sus propiedades derivadas de efectos mecánicos cuánticos, han sido considerados durante mucho tiempo como curiosidades exóticas. Sin embargo, algunos de estos materiales se han integrado en dispositivos cotidianos como discos duros de computadoras, pantallas de televisión y equipos médicos. A pesar de esto, la mayoría de los materiales cuánticos no logran trascender el ámbito experimental.
La pregunta que surge es: ¿qué factores determinan el éxito comercial de ciertos materiales cuánticos mientras que otros permanecen en la irrelevancia? Comprender esta dinámica podría permitir a los investigadores enfocar sus esfuerzos en aquellos materiales con mayor potencial, lo cual es crucial dado que pueden dedicar años al estudio de un solo material.
Un nuevo enfoque para evaluar materiales cuánticos
Investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) han desarrollado un sistema innovador para evaluar el potencial de escalabilidad comercial de los materiales cuánticos. Este marco combina el comportamiento cuántico del material con factores como su costo, la resiliencia de la cadena de suministro y su impacto ambiental. En su estudio, evaluaron más de 16,000 materiales y descubrieron que aquellos con mayores fluctuaciones cuánticas en los centros de sus electrones tienden a ser más costosos y dañinos para el medio ambiente.
Además, identificaron un conjunto de materiales que logran un equilibrio entre funcionalidad cuántica y sostenibilidad, lo que abre nuevas vías para su investigación. El objetivo del equipo es guiar el desarrollo de materiales cuánticos más viables comercialmente, que podrían aplicarse en microelectrónica de próxima generación, aplicaciones para la recolección de energía y diagnósticos médicos.
La resistencia a considerar costos
Mingda Li, profesor asociado de ciencia e ingeniería nuclear y autor principal del estudio, señala que muchos investigadores centrados en los materiales cuánticos suelen ignorar aspectos como los costos y otros factores prácticos. “Algunos piensan que esos elementos son demasiado ‘blandos’ o no están relacionados con la ciencia”, comenta Li. Sin embargo, anticipa que en una década será habitual considerar tanto el costo como el impacto ambiental en cada etapa del desarrollo.
El trabajo ha sido publicado en Materials Today, donde también participaron varios estudiantes doctorales y profesores del MIT. Este esfuerzo busca transformar la forma en que se evalúan los materiales cuánticos al incorporar criterios prácticos desde las etapas iniciales.
Materiales con futuro
Los investigadores Cheng y Boonkird destacan que a menudo se priorizan las propiedades más exóticas en lugar de aquellas con un verdadero potencial para generar productos transformadores. “Los investigadores no siempre consideran los costos o impactos ambientales”, afirma Cheng. “Pero esos factores pueden hacer que sea imposible trabajar con ellos”.
A través del uso de métodos desarrollados por el grupo para evaluar precios e impactos ambientales basados en elementos comunes y prácticas mineras, lograron cuantificar el nivel de "cuanticidad" mediante un modelo basado en el concepto denominado peso cuántico, propuesto por Liang Fu.
Corrientes futuras en investigación
A pesar de que muchos materiales topológicos analizados nunca han sido sintetizados, lo cual limita las predicciones sobre su costo e impacto ambiental, los autores ya están colaborando con empresas interesadas en algunos materiales prometedores identificados. “Hemos hablado con compañías semiconductoras que encuentran interesantes algunos de estos materiales”, menciona Palacios.
El potencial teórico de ciertos materiales topológicos es notable; por ejemplo, mientras las celdas solares tienen un límite teórico del 34%, algunos materiales topológicos alcanzan hasta un 89%. Esto podría revolucionar la forma en que recolectamos energía incluso a partir del calor corporal.
Este trabajo ha recibido apoyo parcial por parte de la Nacional Science Foundation y el Departamento de Energía de EE.UU..
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