Algoritme tager måneder, ikke år, at finde materiale til forbedret energiomsætning

I selv de mest brændstofeffektive biler, omkring 60 procent af den samlede energi af benzin går tabt gennem varme i udstødningsrøret og radiatoren. For at bekæmpe dette, forskere udvikler nye termoelektiske materialer, der kan omdanne varme til elektricitet. Disse halvledende materialer kunne recirkulere elektricitet tilbage i bilen og forbedre brændstofeffektiviteten med op til 5 procent.

Udfordringen er, nuværende termoelektriske materialer til spildvarmeindvinding er meget dyre og tidskrævende at udvikle. Et af de mest avancerede materialer, fremstillet af en kombination af hafnium og zirconium (elementer, der oftest bruges i atomreaktorer), tog 15 år fra den første opdagelse til optimeret ydelse.

Nu, forskere fra Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har udviklet en algoritme, der kan opdage og optimere disse materialer i løbet af få måneder, afhængig af at løse kvantemekaniske ligninger, uden noget eksperimentelt input.

"Disse termoelektriske systemer er meget komplicerede, "sagde Boris Kozinsky, en nyligt udnævnt lektor i Computational Materials Science ved SEAS og seniorforfatter af papiret. "Halvledende materialer skal have meget specifikke egenskaber for at arbejde i dette system, herunder høj elektrisk ledningsevne, høj termokraft, og lav varmeledningsevne, så al den varme bliver konverteret til elektricitet. Vores mål var at finde et nyt materiale, der opfylder alle de vigtige egenskaber for termoelektrisk konvertering, samtidig med at det er stabilt og billigt. "

Kozinsky var forfatter af forskningen sammen med Georgy Samsonidze, en forskningsingeniør ved Robert Bosch Research and Technology Center i Cambridge, MA, hvor begge forfattere udførte det meste af forskningen.

For at finde et sådant materiale, teamet udviklede en algoritme, der kan forudsige elektroniske transportegenskaber for et materiale, der kun er baseret på de kemiske elementer, der bruges i den krystallinske krystal. Nøglen var at forenkle den beregningsmæssige tilgang til elektron-fononspredning og at fremskynde den med cirka 10, 000 gange, sammenlignet med eksisterende algoritmer.

Den nye metode og beregningsmæssige screeningsresultater offentliggøres i Avancerede energimaterialer .

Ved hjælp af den forbedrede algoritme, forskerne screenede mange mulige krystalstrukturer, herunder strukturer, der aldrig var blevet syntetiseret før. Fra dem, Kozinsky og Samsonidze nedslettede listen til flere interessante kandidater. Af disse kandidater, forskerne foretog yderligere beregningsoptimering og sendte de bedste performere til det eksperimentelle team.

I en tidligere indsats syntetiserede eksperimentelister de bedste kandidater foreslået af disse beregninger og fandt et materiale, der var lige så effektivt og så stabilt som tidligere termoelektriske materialer, men 10 gange billigere. Den samlede tid fra første screening til arbejdende enheder:15 måneder.

"Vi gjorde i 15 måneders beregning og eksperimentering, hvad der tog 15 år, før tidligere materialer blev optimeret, "sagde Kozinsky." Det virkelig spændende er, at vi nok ikke helt forstår omfanget af forenklingen endnu. Vi kan muligvis gøre denne metode endnu hurtigere og billigere. "

Kozinsky sagde, at han håber at forbedre den nye metode og bruge den til at udforske elektronisk transport i en bredere klasse af nye eksotiske materialer, såsom topologiske isolatorer.