Новый алгоритм ускоряет поиск новых экзотических материалов

Coatings Today
25.05.2018 287

Даже в самых экономичных автомобилях около 60% общей энергии бензина теряется из-за высокой температуры в выхлопной трубе и радиаторе. Чтобы бороться с этим исследователи разрабатывают новые термоэлектрические материалы, способные преобразовывать тепло в электричество. Эти полупроводниковые материалы могут перенаправить электроэнергию обратно в транспортное средство и повысить эффективность использования топлива на 5%.

Сложность заключается в том, что существующие термоэлектрические материалы для рекуперации отработанного тепла очень дороги и требуют много времени для разработки. Одному из самых современных материалов, изготовленных из сочетания гафния и циркония (элементы, наиболее часто используемые в ядерных реакторах), потребовалось 15 лет с момента своего первоначального открытия до достижения оптимальной производительности.

В настоящее время, исследователи из Школы инженерных и прикладных наук Гарварда Джона А. Полсона (SEAS) разработали алгоритм по обнаружению и оптимизированию этих материалов за нескольких месяцев. Этот алгоритм работает путем решения квантовомеханических уравнений без какого-либо экспериментального ввода.

«Эти термоэлектрические системы очень сложны», – говорит Борис Козинский, ведущий автор исследования. «Полупроводниковые материалы должны обладать определёнными свойствами для работы в этой системе, включая высокую электропроводность, высокую термостойкость и низкую теплопроводность, чтобы всё тепло преобразовалось в электричество. Наша цель состояла в том, чтобы найти не просто новый материал, обладающий всеми необходимыми свойствами для термоэлектрического преобразования, но в то же время стабильный и дешевый материал».

Чтобы найти такой материал, команда разработала алгоритм, который может предсказать электронно-транспортные свойства материала только на основе химических элементов, используемых в кристалле. Ключевым аспектом стало упрощение вычислительного подхода к моделированию рассеяния электронов на фотонах и его ускорению примерно в 10 000 раз по сравнению с существующими алгоритмами.

Используя улучшенный алгоритм, исследователи проверили множество возможных кристаллических структур, включая те структуры, что ранее никогда не были синтезированы. Из них Козинский и его коллега Самсонидзе сократили список до нескольких интересных кандидатов. Для них исследователи затем провели дальнейшую вычислительную оптимизацию и направили лучших в экспериментальную команду.

Экспериментаторы, синтезировав лучших кандидатов, предложенных этими расчетами, обнаружили материал, который является таким же эффективным и стабильным, как и существующие термоэлектрические материалы, но в 10 раз дешевле. Общее время от первоначального отбора до рабочего состояния составило всего 15 месяцев.

«За 15 месяцев вычислений и экспериментов мы сделали то, на что потребовалось 15 лет для оптимизации предыдущих материалов», – поделился Козинский. «Что действительно интересно, так это то, что мы, вероятно, еще не полностью понимаем масштабы возможного упрощения процесса. Мы наверняка могли бы сделать этот метод еще быстрее и дешевле».

Учёные надеются улучшить новую методологию и использовать ее для изучения электронного транспорта в более широком объёме новых экзотических материалов, таких как, например, топологические изоляторы (диэлектрики, поверхности которых проводят электрический ток).

Связаться с нами

Готово, ваша заявка успешно отправлена.
Ошибка, попробуйте обновить страницу и попробовать снова.

Вам будет интересно

Будущее многоразовых и перерабатываемых упаковок
Будущее многоразовых и перерабатываемых упаковок
Компания Borealis AG (Вена, Австрия), восьмой по величине в Европе производитель полиэтилена и полипропилена в…
Coatings Today
08.10.2018
318
Лента с низкой поверхностной энергией решает проблему трудносоединяемых материалов
Лента с низкой поверхностной энергией решает проблему трудносоединяемых материалов
Сверхпрочная лента серии LSE от компании 3M (Сент-Пол, штат Миннесота, США) разработана для соединения проблемных…
Coatings Today
21.07.2020
300
Экологически безопасное самополирующееся противообрастающее покрытие
Экологически безопасное самополирующееся противообрастающее покрытие
В недавно проведенном исследовании было получено самополирующееся противообрастающее покрытие путем гидролиза эфира эвгенола. Покрытие продемонстрировало…
17.01.2023
95
Клей низкотемпературного отверждения для применения в морских условиях
Клей низкотемпературного отверждения для применения в морских условиях
Клей низкотемпературного отверждения для применения в морских условиях Компания Hexcel (Стамфорд, штат Коннектикут, США) запускает…
Coatings Today
14.07.2020
285
Летательный аппарат для передачи телекоммуникационной связи из стратосферы
Летательный аппарат для передачи телекоммуникационной связи из стратосферы
Компания SoftBank Corp. объявила о создании компании, занимающейся высотной телекоммуникационной платформой (HAPS). Компания HAPSMobile является…
Coatings Today
30.05.2019
443
Покрытие на основе окисленной сажи
Покрытие на основе окисленной сажи
Композитное покрытие на основе окисленной сажи и эпоксидного витримера, для защиты металла и придания ему…
07.06.2023
104
Exair выпускает новую бескапельную форсунку с диаметром трубной резьбы 1/8 дюйма
Exair выпускает новую бескапельную форсунку с диаметром трубной резьбы 1/8 дюйма
Компания Exair (Цинциннати, штат Огайо, США) представила новые воздушные распылительные бескапельные форсунки сифонного типа с…
Coatings Today
13.06.2021
258
Антибактериальные эпоксидные полимеры на биологической основе
Антибактериальные эпоксидные полимеры на биологической основе
Недавно было изучено соотношение структура-свойство антибактериальных эпоксидных полимеров на биооснове, полученных из фенольных разветвленных жирных…
Coatings Today
13.07.2021
154
Стабильные эпоксидные эмульсии на водной основе
Стабильные эпоксидные эмульсии на водной основе
Недавно проведенное исследование было направлено на получение стабильных эпоксидных эмульсий на водной основе и изучение…
Coatings Today
21.07.2021
152