Около 70% энергии, которую мы используем в повседневной жизни, тратится в виде тепла, вырабатываемого двигателями, заводами и электрическими устройствами. Тем не менее, исследователи из Инженерной школы EPFL сделали значительный теоретический шаг вперед, который может способствовать устойчивому производству энергии.

Вычислительные работы лаборатории теории и моделирования материалов (THEOS) раскрыли фундаментальные теории, лежащие в основе одной из основных технологий, используемых для повышения эффективности термоэлектрического преобразования, прокладывая путь к лучшему выбору материалов и более быстрым и экономически эффективным процессам открытия. . Этот прорыв, опубликованный в журнале Physical Review Research , потенциально может способствовать более зеленой экономике и более устойчивому будущему.

Термоэлектрические устройства являются горячей темой, поскольку они предлагают многообещающий потенциал для преобразования отработанного тепла в экологически чистую электроэнергию. Когда существует разница температур термоэлектрического материала , когда одна сторона горячее другой, это вызывает поток зарядов внутри материала, генерируя электрический ток, который можно преобразовать обратно в электрическую энергию. Эта технология все чаще рассматривается как средство повышения устойчивости различных энергоемких отраслей, от транспорта до электростанций и производства.

Однако максимизация эффективности термоэлектрического преобразования оказалась сложной задачей из-за отсутствия основополагающих теорий теплопроводности в материалах с плохой теплопроводностью. Чтобы материал можно было использовать в термоэлектрическом устройстве, он должен иметь низкую теплопередачу или теплопроводность и высокую электропроводность. Чем больше разница между ними, тем лучше подходит материал. Известно, что некоторые материалы являются хорошими кандидатами, но ученым-материалистам приходится полагаться на дорогостоящие испытания, поскольку основные физические принципы остаются неуловимыми.

Именно здесь на помощь приходит вычислительная физика , использующая передовые методы моделирования и моделирования на мощных суперкомпьютерах, чтобы раскрыть фундаментальные физические принципы, управляющие поведением термоэлектрических материалов и теплопроводностью.

«Раскрытие теоретических секретов термоэлектрических материалов приближает нас на один шаг к более экологичному и устойчивому будущему», — говорит Энрико Ди Люсенте, исследователь THEOS, в сотрудничестве с Микеле Симончелли, сейчас работающим в Кембриджском университете, и профессором Николой Марзари, главой THEOS. и директор NCCR MARVEL.

Чтобы разгадать тайну, исследования группы EPFL сосредоточились на классе кристаллов, известных как скуттерудиты, которые имеют уникальную клеточную атомную структуру и известны как многообещающие материалы для термоэлектрического преобразования. Они увеличивают свою термоэлектрическую эффективность, когда в их атомные клетки добавляются дополнительные атомы, называемые «гремушками».

С помощью новой модели, разработанной в EPFL, исследователи наблюдали ожидаемое значительное снижение теплопередачи и предсказывали это явление с чрезвычайной точностью без необходимости каких-либо эмпирических данных.

Главный научный прогресс связан с тем, что вычислительная модель также проливает свет на неожиданный квантовый механизм.

«Мы впервые обнаружили, что эти дребезжащие атомы вызывают изменение способа проведения тепла внутри кристаллов, переключаясь с корпускулярной проводимости на волнообразное туннелирование», — говорит Ди Люсенте. Новая вычислительная модель открывает двери для разработки новых материалов со сверхнизкой теплопроводностью без необходимости проведения дорогостоящих эмпирических испытаний, что делает нас важным шагом к созданию более энергоэффективной экономики.