加速材料发现

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即使是最省油的汽车,大约60%的汽油总能量通过排气管和散热器中的热量损失。为了解决这一问题,研究人员正在开发新的热电材料,可以将热能转化为电能。这些半导体材料可以将电再循环回到车辆中,并将燃料效率提高5%。

面临的挑战是,目前用于废热回收的热电材料非常昂贵和耗时开发。最先进的材料之一,由铪和锆的组合(最常用于核反应堆中的元素),从最初的发现到优化的性能花费了15年的时间。

现在,哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院(海洋)的研究人员开发了一种算法,可以在数月内发现并优化这些材料,依赖于解决量子力学方程,而不需要任何实验输入。

“这些热电系统非常复杂,”最近任命的海洋计算材料科学副教授和该论文的资深作者Boris Kozinsky说。半导体材料需要在该系统中具有非常特殊的性能,包括高导电性、高热电性和低导热性,从而使所有的热都转化为电能。我们的目标是找到一种新材料,满足热电转换的所有重要特性,同时又稳定又便宜。

Kozinsky与Georgy Samsonidze在剑桥的罗伯特博世研究和技术中心的研究工程师共同撰写了这项研究,其中两位作者进行了大部分研究。

为了找到这样的材料,该团队开发了一种算法,该算法可以仅基于晶体晶体中使用的化学元素来预测材料的电子输运性质。关键是简化计算方法的电子声子散射,并加快了约10000倍,与现有的算法相比。

使用改进的算法,研究人员筛选了许多可能的晶体结构,包括以前从未合成过的结构。从这些,Kozinsky和Samsonidze削减名单上的几个有趣的候选人。在这些候选者中,研究人员做了进一步的计算优化,并把顶尖的表演者发送给实验团队。

在较早的努力中,实验者合成了由这些计算提出的最佳候选者,发现了一种与以前的热电材料一样有效和稳定的材料,但便宜了10倍。从最初筛选到工作装置的总时间:15个月。

“我们在15个月的计算和实验中花费了15年的时间对以前的材料进行优化,”Kozinsky说。“真正令人兴奋的是,我们可能还没有完全理解简化的程度。我们有可能使这种方法更快更便宜。”

Kozinsky说,他希望改进新的方法,并利用它来探索更广泛的新的奇异材料,如拓扑绝缘体的电子运输。

这项工作得到了美国能源部和Robert Bosch LLC.的支持。

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