即使是最省油的汽車，大約60%的汽油總能量也會(huì)因排氣管和散熱器中的熱量而損失。為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究人員正在開(kāi)發(fā)新的熱電材料，可以將熱量轉(zhuǎn)化為電能。這些半導(dǎo)體材料可以將電力再循環(huán)回車輛，并將燃料效率提高多達(dá)5%。

挑戰(zhàn)在于，用于廢熱回收的當(dāng)前熱電材料非常昂貴且開(kāi)發(fā)耗時(shí)。最先進(jìn)的材料之一，由鉿和鋯(核反應(yīng)堆中最常用的元素)組合而成，從最初的發(fā)現(xiàn)到優(yōu)化的性能花了15年的時(shí)間。

現(xiàn)在，來(lái)自哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(SEAS)的研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種算法，可以在幾個(gè)月內(nèi)發(fā)現(xiàn)并優(yōu)化這些材料，依賴于求解量子力學(xué)方程，而無(wú)需任何實(shí)驗(yàn)輸入。

“這些熱電系統(tǒng)非常復(fù)雜，”最近任命的SEAS計(jì)算材料科學(xué)副教授，該論文的高級(jí)作者Boris Kozinsky說(shuō)。“半導(dǎo)體材料需要具有非常特殊的性能才能在該系統(tǒng)中工作，包括高導(dǎo)電性，高熱電勢(shì)和低導(dǎo)熱性，以便將所有熱量轉(zhuǎn)化為電能。我們的目標(biāo)是找到滿足所有要求的新材料。熱電轉(zhuǎn)換的重要特性，同時(shí)又穩(wěn)定又便宜。“

Kozinsky與馬薩諸塞州劍橋羅伯特博世研究與技術(shù)中心的研究工程師Georgy Samsonidze共同撰寫(xiě)了這項(xiàng)研究，兩位作者都進(jìn)行了大部分研究。

為了找到這樣的材料，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種算法，該算法可以僅基于晶體中使用的化學(xué)元素來(lái)預(yù)測(cè)材料的電子傳輸特性。關(guān)鍵是簡(jiǎn)化電子 - 聲子散射的計(jì)算方法，并與現(xiàn)有算法相比將其加速約10,000倍。

新方法和計(jì)算篩選結(jié)果發(fā)表在Advanced Energy Materials上。

研究人員使用改進(jìn)的算法篩選出許多可能的晶體結(jié)構(gòu)，包括以前從未合成過(guò)的結(jié)構(gòu)。從那些人那里，Kozinsky和Samsonidze將這份名單縮減為幾個(gè)有趣的候選人。在這些候選人中，研究人員進(jìn)行了進(jìn)一步的計(jì)算優(yōu)化，并將最佳表現(xiàn)者送到了實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)。

在早期的努力中，實(shí)驗(yàn)主義者合成了這些計(jì)算所提出的最佳候選者，并發(fā)現(xiàn)了一種與以前的熱電材料一樣高效且穩(wěn)定但比便宜10倍的材料。從初次篩選到工作裝置的總時(shí)間：15個(gè)月。

Kozinsky說(shuō)：“我們?cè)?5個(gè)月的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)中完成了以前材料優(yōu)化需要15年的時(shí)間。” “真正令人興奮的是，我們可能還沒(méi)有完全理解簡(jiǎn)化的程度。我們有可能使這種方法更快，更便宜。”

Kozinsky說(shuō)，他希望改進(jìn)新的方法，并用它來(lái)探索更廣泛的新奇特材料(如拓?fù)浣^緣體)中的電子傳輸。