[论文解读] Sustainability-Driven Exploration of Topological Material

Artittaya Boonkird, Nathan C. Drucker+10 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2023

Graphene research and applicationsMaterials Science被引用 3

一句话总结

本文提出了一种以可持续性为导向的框架，从环境、经济和社会维度评估拓扑材料，成功从超过16,000种材料中识别出200种低影响、可扩展的候选材料。通过整合毒性、成本、能源需求和进口韧性，本研究建立了一个可持续的拓扑材料数据库，优先筛选出此前被忽视的环境友好型选项。

ABSTRACT

Topological materials are at the forefront of quantum materials research, offering tremendous potential for next-generation energy and information devices. However, current investigation of these materials remains largely focused on performance and often neglects the crucial aspect of sustainability. Recognizing the pivotal role of sustainability in addressing global pollution, carbon emissions, resource conservation, and ethical labor practices, we present a comprehensive evaluation of topological materials based on their sustainability and environmental impact. Our approach involves a hierarchical analysis encompassing cost, toxicity, energy demands, environmental impact, social implications, and resilience to imports. By applying this framework to over 16,000 topological materials, we establish a sustainable topological materials database. Our endeavor unveils environmental-friendly topological materials candidates which have been previously overlooked, providing insights into their environmental ramifications and feasibility for industrial scalability. The work represents a critical step toward industrial adoption of topological materials, offering the potential for significant technological advancements and broader societal benefits.

研究动机与目标

• 为解决拓扑材料研究中长期忽视可持续性考量的问题，该研究旨在弥补性能优先而忽视环境与社会影响的不足。
• 通过在材料选择早期嵌入可持续性考量，降低工业化学品事故（如CFCs、PFAS）的风险。
• 通过评估成本、毒性、能源需求、环境影响、社会影响及进口韧性，实现工业规模的可扩展性。
• 创建一个全面、公开可访问的可持续拓扑材料数据库，以支持未来器件开发。
• 识别出此前因仅关注性能而被忽视、但具有强现实部署潜力的环境友好型拓扑材料。

提出的方法

• 采用分层过滤流程：首先筛选出稳定材料（Ehull < 0）、无毒元素、Tmelt < 2000 K，以及低蒸气压（Pvap,400°C）的材料。
• 在六个可持续性维度上对材料进行评分：价格、净进口韧性（NIR）、环境影响评分（Env）、累积能源需求（CED）、毒性及社会影响（Egov）。
• 通过Materials Project数据库进行高通量计算筛选，分析超过16,000种拓扑材料。
• 整合拓扑量子化学与电子结构计算，以识别并验证候选材料中的拓扑态。
• 利用综合可持续性评分（Σxy）对材料进行排序，该评分结合了所有可持续性维度的归一化指标。
• 通过热力学稳定性（Ehull）、元素丰度及非放射性组成对关键候选材料进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些拓扑材料在保持稳定性和工业可扩展性的同时，展现出较低的环境影响？
• RQ2 如何系统性地将毒性、能源需求和进口韧性等可持续性指标整合到拓扑材料的选择过程中？
• RQ3 已知拓扑材料中有多少比例具有环境可行性？又有多少因仅基于性能筛选而被忽视？
• RQ4 多维可持续性框架能否识别出兼具高性能与低生态足迹的拓扑材料？
• RQ5 哪些是最具前景的可持续拓扑材料，适用于下一代能源与信息技术？

主要发现

• 本研究从初始超过16,000种材料中筛选出200种拓扑材料，其满足严格的可持续性标准，包括低毒性、低能源需求及高进口韧性。
• 如Yb3Sn13Ir4（mp-1205086）和Dy2N3（mp-1205065）等材料在环境影响和价格方面得分优异，其Env评分分别为81.53和95.00。
• 该框架成功排除了高蒸气压材料（如VCl4，mp-1205372）和高毒性材料（如TcO2，mp-1205302），显著降低了环境危害风险。
• 大量有前景的候选材料，如Ta3N5（mp-1205002）和YPdPb（mp-1205369），表现出低价格（如7.22美元/公斤）和高净进口韧性（NIR > 80%）。
• 可持续性评分（Σxy）有效对材料进行了排序，顶级候选材料展现出低累积能源需求（如Fe3C，mp-1205444，为1.18 MJ/kg）和高环境影响评分（如Y3Tl5，mp-1207757，为100.00）。
• 研究发现，许多高性能拓扑材料（如NbCo2Sn，mp-1205387）具有较高的环境影响评分（83.13），因此在缺乏缓解措施的情况下，不适合大规模部署。