Även i de mest bränslesnåla bilarna, cirka 60 procent av bensinens totala energi går förlorad genom värme i avgasröret och kylaren. För att bekämpa detta, forskare utvecklar nya termoelektriska material som kan omvandla värme till elektricitet. Dessa halvledande material kan återcirkulera elektricitet tillbaka in i fordonet och förbättra bränsleeffektiviteten med upp till 5 procent.

Utmaningen är, nuvarande termoelektriska material för spillvärmeåtervinning är mycket dyra och tidskrävande att utveckla. Ett av de senaste materialen, tillverkad av en kombination av hafnium och zirkonium (de grundämnen som oftast används i kärnreaktorer), tog 15 år från den första upptäckten till optimerad prestanda.

Nu, forskare från Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har utvecklat en algoritm som kan upptäcka och optimera dessa material på några månader, förlitar sig på att lösa kvantmekaniska ekvationer, utan någon experimentell input.

"Dessa termoelektriska system är mycket komplicerade, sa Boris Kozinsky, en nyligen utsedd docent i beräkningsmaterialvetenskap vid SEAS och senior författare till artikeln. "Halvledande material måste ha mycket specifika egenskaper för att fungera i det här systemet, inklusive hög elektrisk ledningsförmåga, hög värmekraft, och låg värmeledningsförmåga, så att all värme omvandlas till el. Vårt mål var att hitta ett nytt material som uppfyller alla viktiga egenskaper för termoelektrisk konvertering samtidigt som det är stabilt och billigt."

Kozinsky skrev forskningen tillsammans med Georgy Samsonidze, en forskningsingenjör vid Robert Bosch Research and Technology Center i Cambridge, MA, där båda författarna utförde det mesta av forskningen.

För att hitta ett sådant material, teamet utvecklade en algoritm som kan förutsäga elektroniska transportegenskaper för ett material endast baserat på de kemiska grundämnena som används i den kristallina kristallen. Nyckeln var att förenkla beräkningsmetoden för elektron-fononspridning och att påskynda den med cirka 10, 000 gånger, jämfört med befintliga algoritmer.

Den nya metoden och resultat av beräkningsscreening publiceras i Avancerade energimaterial .

Med hjälp av den förbättrade algoritmen, forskarna undersökte många möjliga kristallstrukturer, inklusive strukturer som aldrig hade syntetiserats tidigare. Från de där, Kozinsky och Samsonidze minskade listan till flera intressanta kandidater. Av dessa kandidater, forskarna gjorde ytterligare beräkningsoptimering och skickade de bästa resultaten till experimentteamet.

I ett tidigare försök syntetiserade experimentalister toppkandidaterna som föreslagits av dessa beräkningar och fann ett material som var lika effektivt och stabilt som tidigare termoelektriska material men 10 gånger billigare. Den totala tiden från första screening till fungerande enheter:15 månader.

"Vi gjorde under 15 månaders beräkningar och experiment vad som tog 15 år för tidigare material att optimeras, ", sa Kozinsky. "Det som verkligen är spännande är att vi förmodligen inte helt förstår omfattningen av förenklingen ännu. Vi skulle potentiellt kunna göra den här metoden ännu snabbare och billigare."

Kozinsky sa att han hoppas kunna förbättra den nya metoden och använda den för att utforska elektronisk transport i en bredare klass av nya exotiska material som topologiska isolatorer.