Algoritmen tar måneder, ikke år, for å finne materiale for forbedret energikonvertering

The Third Industrial Revolution: A Radical New Sharing Economy (Juni 2019).

Anonim

På selv de mest drivstoffeffektive bilene er ca 60 prosent av bensinens totale energi tapt gjennom varme i eksosrøret og radiatoren. For å bekjempe dette utvikler forskerne nye termoelektiske materialer som kan konvertere varme til elektrisitet. Disse halvledende materialene kan resirkulere strøm tilbake til kjøretøyet og forbedre drivstoffeffektiviteten med opptil 5 prosent.

Utfordringen er at nåværende termoelektriske materialer for gjenvinning av avfall er svært kostbare og tidkrevende å utvikle. En av toppmoderne materialer, laget av en kombinasjon av hafnium og zirkonium (elementer som oftest brukes i atomreaktorer), tok 15 år fra sin opprinnelige funn til optimalisert ytelse.

Nå har forskere fra Harvard John A. Paulson School of Engineering og Applied Sciences (SEAS) utviklet en algoritme som kan oppdage og optimalisere disse materialene i løpet av måneder, avhengig av å løse kvantemekaniske ligninger uten noen eksperimentell inngang.

"Disse termoelektriske systemene er svært kompliserte, " sa Boris Kozinsky, en nylig utnevnt lektor i Computational Materials Science ved SEAS og senior forfatter av papiret. "Halvledende materialer må ha svært spesifikke egenskaper for å arbeide i dette systemet, inkludert høy elektrisk ledningsevne, høy termokraft og lav varmeledningsevne, slik at alt det varme blir omgjort til elektrisitet. Målet vårt var å finne et nytt materiale som tilfredsstiller alle viktige egenskaper for termoelektrisk konvertering, samtidig som den er stabil og billig. "

Kozinsky medforfattere forskningen med Georgy Samsonidze, en forskningsingeniør ved Robert Bosch Research and Technology Center i Cambridge, MA, hvor begge forfatterne gjennomførte det meste av forskningen.

For å finne et slikt materiale utviklet teamet en algoritme som kan forutsi elektroniske transportegenskaper av et materiale basert bare på de kjemiske elementene som brukes i krystallinsk krystall. Nøkkelen var å forenkle beregningsmetoden for elektronfononspredning og for å øke hastigheten opp med ca. 10.000 ganger, sammenlignet med eksisterende algoritmer.

Den nye metoden og beregningsresultater er publisert i Advanced Energy Materials.

Ved hjelp av den forbedrede algoritmen har forskerne vist mange mulige krystallstrukturer, inkludert strukturer som aldri hadde blitt syntetisert før. Fra dem, Kozinsky og Samsonidze whittled listen ned til flere interessante kandidater. Av disse kandidatene gjorde forskerne videre beregningsoptimalisering og sendte toppspillerne til eksperimentelle laget.

I en tidligere innsats syntetiserte eksperimentister de beste kandidatene som ble foreslått av disse beregningene, og fant et materiale som var så effektivt og stabilt som tidligere termoelektriske materialer, men 10 ganger billigere. Total tid fra innledende screening til arbeidsapparater: 15 måneder.

"Vi gjorde i 15 måneder med beregning og eksperimentering som tok 15 år for at tidligere materialer skulle bli optimalisert, " sa Kozinsky. "Det som virkelig er spennende er at vi nok ikke fullt ut forstår omfanget av forenklingen. Vi kunne potensielt gjøre denne metoden enda raskere og billigere."

Kozinsky sa at han håper å forbedre den nye metoden og bruke den til å utforske elektronisk transport i en bredere klasse av nye eksotiske materialer som topologiske isolatorer.

menu
menu