Dra nytta av de senaste framstegen när det gäller att använda teoretiska beräkningar för att förutsäga egenskaperna hos nya material, forskare rapporterade på torsdagen upptäckten av en ny klass av termoelektriska föreningar med halv Heusler, inklusive en med en rekordhög merit - ett mått som används för att bestämma hur effektivt ett termoelektriskt material kan omvandla värme till elektricitet.

"Det bibehöll den höga förtjänsten vid alla temperaturer, så det kan potentiellt vara viktigt i applikationer på vägen, "sa fysikern Zhifeng Ren, chef för Texas Center for Superconductivity vid University of Houston (TcSUH) och motsvarande författare på ett papper som rapporterar arbetet, publicerad i Naturkommunikation .

Termoelektriska material har väckt ett ökat intresse för forskarsamhället som en potentiell källa till "ren" kraft, produceras när materialet omvandlar värme - ofta spillvärme från kraftverk eller andra industriella processer - till el.

Ett antal lovande material har upptäckts, även om de flesta inte har kunnat uppfylla alla krav för utbredda kommersiella tillämpningar. Forskarna sa att deras upptäckt av halva Heusler-föreningar som består av tantal, järn och antimon gav resultat som är "ganska lovande för termoelektrisk kraftproduktion".

Forskarna mätte omvandlingseffektiviteten för en förening till 11,4 procent - vilket betyder att materialet producerade 11,4 watt el för varje 100 watt värme som det tog in. Teoretiska beräkningar tyder på att verkningsgraden kan nå 14 procent, sa Ren, som också är MD Anderson Ordförande professor i fysik vid UH. Han noterade att många termoelektriska enheter kommer att ha praktiska tillämpningar med en konverteringseffektivitet på 10 procent.

I alla, forskarna förutspådde sex tidigare orapporterade föreningar och syntetiserade framgångsrikt en, som levererade hög prestanda utan användning av dyra element.

"Vi har upptäckt 6 odokumenterade föreningar och 5 av dem är stabila med halva Heusler-kristallstrukturen, "skrev de." Den p-typ TaFeSb-baserade halva Heusler, en av föreningarna som upptäcktes i detta arbete, visat en mycket lovande termoelektrisk prestanda. "

Förutom Ren och medlemmar i hans labb, arbetet involverade ytterligare forskare vid UH; University of Missouri; Massachusetts Institute of Technology; Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics vid Chinese Academy of Sciences; Southwest University i Chongqing, Kina; Institutet för metalliska material i Dresden, Tyskland; Kinas universitet för elektronisk vetenskap och teknik; och Shanghai University.

Att lita på teoretiska beräkningar för att förutsäga föreningar som förväntas ha hög termoelektrisk prestanda gjorde det möjligt för forskarna att finslipa på de mest lovande föreningarna. Men egentligen skapar vi material som består av tantal, järn och antimon, en insats som leds av UH postdoktorala forskare och första författare Hangtian Zhu och Jun Mao, visat sig vara komplex, dels för att komponenterna har så olika fysikaliska egenskaper.

Tantal, till exempel, har en smältpunkt över 3, 000 grader Celsius, medan smältpunkten för antimon är 630 Celsius. Tantal är svårt, medan antimon är relativt mjukt, att göra bågsmältning - en vanlig metod för att kombinera material - svårare. De kunde göra föreningen med en kombination av kulfräsning och varmpressning.

När föreningen väl bildats, forskarna sa att det erbjöd både de fysiska egenskaper som behövs såväl som de mekaniska egenskaper som skulle säkerställa strukturell integritet. Ren sa att de element som används är alla relativt tillgängliga och billiga, gör föreningen kostnadseffektiv.

Förutom egenskaperna hos själva föreningen, forskarna sa att deras resultat erbjuder starkt stöd för ytterligare beroende av beräkningsmetoder för att styra experimentella insatser.

"Det bör noteras att noggrann experimentell syntes och utvärdering av en förening är kostsam, medan de flesta teoretiska beräkningar, särskilt när det används i lägen med hög genomströmning, är relativt billiga, "skrev de." Som sådan, Det kan vara fördelaktigt att använda mer sofistikerade teoretiska studier för att förutsäga föreningar innan man ägnar ansträngningarna för noggrann experimentell studie. "