Новый алгоритм ускорил в десятки раз создание новых материалов
Даже в самых экономичных автомобилях около 60 процентов всей энергии бензина теряется за счет потери тепла в выхлопной трубе и радиаторе.
Для борьбы с этим явлением исследователи разрабатывают новые термоэлектрические материалы, которые могут преобразовывать тепло в электричество. Эти полупроводниковые материалы могут рециркулировать электричество обратно в транспортное средство и повысить эффективность использования топлива более чем на 5 процентов.
Трудность состоит в том, что текущие термоэлектрические материалы для утилизации отработанного тепла очень дороги и требуют много времени для разработки. Один из самых современных материалов, изготовленных из комбинации гафния и циркония (элементы, наиболее часто используемые в ядерных реакторах), занял 15 лет с момента своего первоначального открытия до достижения оптимальной производительности.
Теперь исследователи из Гарвардской школы инженерой и прикладных наук Гарварда Джона А. Полсона разработали алгоритм, который может обнаружить и оптимизировать такие материалы за несколько месяцев, опираясь на решение квантовомеханических уравнений без каких-либо экспериментальных данных.
«Эти термоэлектрические системы очень сложны», — сказал Борис Козинский, недавно назначенный доцент по вычислительному материаловедению в SEAS и старший автор статьи. «Полупроводниковые материалы должны обладать очень специфическими свойствами для работы в этой системе, включая высокую электропроводность, высокую термостойкость и низкую теплопроводность, так что вся эта теплота преобразуется в электричество. Наша цель состояла в том, чтобы найти новый материал, который удовлетворяет всем важным свойствам для термоэлектрического преобразования и в то же время был бы стабильным и дешевым».
Козинский был соавтором исследования с Георгием Самсонидзе, инженером исследовательского и технологического центра Robert Bosch в Кембридже, Массачусетс, где оба автора провели большую часть исследований.
Чтобы найти такой материал, команда разработала алгоритм, который может предсказать электронные транспортные свойства материала, основанного только на химических элементах, используемых в кристалле. Ключом было упростить вычислительный подход для электрон-фононного рассеяния и ускорить его примерно в 10 000 раз по сравнению с существующими алгоритмами.
Новый метод и результаты компьютерного скрининга публикуются в издании Advanced Energy Materials.
Используя улучшенный алгоритм, исследователи проверили множество возможных кристаллических структур, включая структуры, которые ранее не были синтезированы. Из них Козинский и Самсонидзе сократили список до нескольких интересных кандидатов. Из этих кандидатов исследователи сделали дальнейшую оптимизацию и отобрали лучших.
В более ранних экспериментах ученые синтезировали лучших кандидатов, предложенных этими расчетами, и нашли материал, который был столь же эффективным и стабильным, как и предыдущие термоэлектрические материалы, но стоил в 10 раз дешевле. Общее время от первоначального скрининга до рабочих устройств: 15 месяцев.
«Мы сделали за 15 месяцев вычислений и эксперименты, на что раньше потребовалось 15 лет», — сказал Козинский. «Что действительно интересно, так это то, что мы, вероятно, еще не полностью понимаем масштабы упрощения, мы могли бы сделать этот метод еще быстрее и дешевле».
Козинский сказал, что надеется улучшить новую методологию и использовать ее для изучения электронного транспорта в более широком классе новых экзотических материалов, таких как топологические изоляторы.
Больше информации: Georgy Samsonidze et al. Accelerated Screening of Thermoelectric Materials by First-Principles Computations of Electron-Phonon Scattering, Advanced Energy Materials (2018). DOI: 10.1002/aenm.201800246