《Materials Today》：Are quantum materials economically and environmentally sustainable?
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量子材料开发需平衡性能与可持续性，基于拓扑材料数据库（16858种材料）构建数据驱动框架，综合评估成本、供应链、能耗、毒性和环境足迹。发现量子效应强的材料（量子权重高）多存在环境风险，通过筛选提出兼具量子功能与可持续性的材料组合，为AI辅助的绿色量子材料发现提供新范式。
Artittaya Boonkird | Mouyang Cheng | Abhijatmedhi Chotrattanapituk | Denise Córdova Carrizales | Ryotaro Okabe | Nathan C. Drucker | Manasi Mandal | Thanh Nguyen | Jingjie Yeo | Vsevolod Belosevich | Ellan Spero | Christine Ortiz | Qiong Ma | Liang Fu | Tomas Palacios | Farnaz Niroui | Mingda Li
量子测量小组，麻省理工学院，马萨诸塞州剑桥市，02139，美国
摘要
量子材料彻底改变了能源、信息和医疗技术，但其发展主要关注性能，而非经济和环境影响——而这些因素对于工业应用至关重要。以拓扑材料为例，我们提出了一个基于数据的框架，评估了超过16,000种材料在成本、供应链韧性、能源需求、毒性和环境足迹方面的表现。通过引入最近提出的“量子权重”这一量化量子行为的指标，我们发现了一个显著趋势：具有更强量子效应的材料往往也会带来更大的环境影响，这对材料的可扩展性和工业应用构成了挑战。为了解决这一问题，我们筛选出了一小部分在量子功能与可持续性之间取得平衡的材料。我们的方法实现了高通量的、由人工智能驱动的材料发现过程，从一开始就考虑了经济和环境因素，为下一代微电子技术和能量收集技术的发展提供了指导。
部分内容摘录
结果
我们首先通过稳定性、工业兼容性、毒性和稀有性等标准，对来自综合性拓扑材料数据库[33]中的材料进行了评估。整个筛选过程如图1所示。元素的稳定性是根据其能量高于凸包[34]来衡量的。能量高于凸包的值指的是化合物的形成能，该值是通过在0 K和0 Pa条件下进行的密度泛函理论（DFT）计算得出的。
讨论
我们的筛选和评分流程并未考虑一些因素。拓扑材料数据库中列出的许多材料从未被实际合成过。因此，仅通过数据挖掘无法获得合成这些材料所需的精确原材料。在我们的分析中，假设每种拓扑材料所需的原材料都是纯净的。
拓扑材料数据库
该数据库目前包含16,858种拓扑材料，其中4,768种是拓扑绝缘体，11,980种是拓扑半导体，这些材料是根据方法中设定的标准进行筛选后的结果。该数据库基于原始的拓扑材料数据库[33]和Materials Project [55]构建而成。
热力学稳定性
用于预测稳定性的一个常用材料属性是能量高于凸包的值[34]。
CRediT作者贡献声明
Artittaya Boonkird：撰写初稿、数据可视化、验证、研究、形式分析、数据管理。Mouyang Cheng：撰写与编辑、撰写初稿、数据可视化、验证、研究、形式分析、数据管理。Abhijatmedhi Chotrattanapituk：数据可视化、验证、方法论设计、形式分析、数据管理。Denise Córdova Carrizales：撰写初稿、数据可视化、验证、形式分析。Ryotaro Okabe：撰写与...
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
TB和ML感谢美国国家科学基金会（NSF）提供的支持（Convergence Accelerator Award编号：2235945）。NCD感谢美国能源部（DOE）、科学办公室（SC）、基础能源科学（BES）的支持（奖项编号：DE-SC0020148）。TN得到了NSF设计材料以革新和塑造未来（DMREF）计划（奖项编号：DMR-2118448）以及MathWorks奖学金的支持。作者还感谢与L Molnar等人的有益讨论。
