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 目前，熱電發(fā)電機(jī)很少見，主要用于像太空探測器這樣的小型應(yīng)用，在那里加油是不可能的。熱電是一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域，尤其是寶馬和奧迪等汽車公司。然而，迄今為止，將熱量轉(zhuǎn)換為電力的成本已證明比電力本身更昂貴。

據(jù)悉，德克薩斯大學(xué)二疊紀(jì)盆地(UTPB)機(jī)械工程高級講師Anveeksh Koneru正在探索一種利用自旋極化材料中電子的量子力學(xué)運(yùn)動(dòng)來捕獲廢熱的新方法。

在粒子物理學(xué)中，自旋是由基本粒子，復(fù)合粒子(強(qiáng)子)和原子核攜帶的角動(dòng)量的內(nèi)在形式。通過稱為自旋霍爾效應(yīng)的機(jī)制，已經(jīng)表明，通過利用附著在鐵磁材料上的金屬觸點(diǎn)上的自旋群的差異，可以產(chǎn)生電壓。日本研究人員在2008年首次通過實(shí)驗(yàn)證明，這一想法已經(jīng)滲透了材料科學(xué)一段時(shí)間，但尚未找到最佳形式。

Koneru認(rèn)為，在氧化鈷中，他可能已找到合適的材料來利用這種效應(yīng)來產(chǎn)生能量。陶瓷工業(yè)中用于制造藍(lán)色釉料的無機(jī)化合物，在水分離技術(shù)中，鈷氧化物具有接受替代過渡金屬陽離子的獨(dú)特能力，這使得它們能夠與鎳，銅，錳或鋅混合。這些金屬具有磁性，可以增加電子上下旋轉(zhuǎn)的分離，并改善熱量與電的轉(zhuǎn)換。

“這種材料應(yīng)該是一種良好的電導(dǎo)體，但是導(dǎo)熱性能較差。它應(yīng)該傳導(dǎo)電子，而不是聲子，這是熱量，”Koneru說。“要通過實(shí)驗(yàn)研究，我們必須制造數(shù)千種不同的材料組合。相反，我們試圖從理論上計(jì)算出使用替代材料的最佳配置是什么。”

自2018年以來，Koneru一直在德克薩斯高級計(jì)算中心(TACC)使用超級計(jì)算機(jī)來虛擬測試各種鈷氧化物的能量分布，并進(jìn)行一系列替換。

“每次校準(zhǔn)需要30到40小時(shí)的計(jì)算時(shí)間，我們必須研究至少1,000到1,500種不同的配置，”他解釋道。“它需要龐大的計(jì)算設(shè)施，而這正是TACC所提供的。”

Koneru與UTPB研究生Gustavo Damis Resende，Nolan Hines以及西弗吉尼亞大學(xué)的合作者Terence Musho于4月在亞利桑那州鳳凰城舉行的材料研究學(xué)會(huì)春季會(huì)議上介紹了他們對鈷氧化物熱電能力的初步發(fā)現(xiàn)。

研究人員研究了三種鈷氧化物配置的56原子晶胞，通過鎳和鋅的取代進(jìn)行調(diào)整，以獲得最佳的熱電性能。他們使用稱為Quantum ESPRESSO的軟件包來計(jì)算每種配置的物理特性。這些包括：

- 帶隙：將電子激發(fā)到其傳導(dǎo)能量所需的最小能量;晶格參數(shù)：晶格中晶胞的物理尺寸;

- 傳導(dǎo)電子的有效質(zhì)量：粒子在響應(yīng)力時(shí)似乎具有的質(zhì)量;

- 和自旋極化：自旋與給定方向?qū)R的程度。

然后使用這些基本特性進(jìn)行傳統(tǒng)的電荷和自旋輸運(yùn)計(jì)算，這可以告訴研究人員鈷氧化物的配置如何將熱量轉(zhuǎn)化為電能。

據(jù)研究人員介紹，本研究開發(fā)的方法可應(yīng)用于其他具有半導(dǎo)體和磁性的有趣熱電材料，使其廣泛用于材料科學(xué)界。

使用UT研究CYBERINFRASTRUCTURE

作為西弗吉尼亞大學(xué)的博士生，Koneru可以使用大型超級計(jì)算機(jī)進(jìn)行研究。盡管UTPB在本地沒有此類資源，但他能夠通過UT研究網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施(UTRC)計(jì)劃利用TACC的先進(jìn)計(jì)算系統(tǒng)和服務(wù)，該計(jì)劃自2007年以來一直為德克薩斯大學(xué)系統(tǒng)的任何一個(gè)研究所提供研究。機(jī)構(gòu)可以獲得TACC的資源，專業(yè)知識(shí)和培訓(xùn)。

作為UTRC計(jì)劃的一部分，TACC工作人員擔(dān)任聯(lián)絡(luò)員，訪問UT系統(tǒng)的14個(gè)校區(qū)，提供培訓(xùn)和咨詢，并向研究人員介紹他們可用的資源。當(dāng)TACC研究員Ari Kahn訪問UTPB時(shí)，他遇到了Koneru，并鼓勵(lì)他在TACC進(jìn)行計(jì)算。

從那以后，Koneru一直在使用Lonestar5，這是一個(gè)專門為UT系統(tǒng)研究人員開發(fā)的系統(tǒng)。盡管仍處于早期階段，但迄今為止的結(jié)果仍然很有希望。

“我很興奮，因?yàn)楫?dāng)鈷氧化物尖晶石被鎳取代時(shí)，我們可以清楚地看到自旋極化。這是一個(gè)好兆頭，”他說。“我們看到一個(gè)特定的配置在帶隙方面有更高的分離，這是令人驚訝的，我們必須進(jìn)一步探索。而且所有的校準(zhǔn)都是收斂的，這表明它們是可靠的。”

一旦他確定了廢熱轉(zhuǎn)換的最佳材料，Koneru希望設(shè)計(jì)一種可以應(yīng)用于車輛尾管的糊狀物，將廢熱轉(zhuǎn)化為電能為汽車的電氣系統(tǒng)供電。他估計(jì)這種裝置每輛車的成本可能低于500美元，每年可減少數(shù)億噸的溫室氣體排放。

“隨著納米材料納米加工的最新進(jìn)展和納米材料的計(jì)算校準(zhǔn)，旋轉(zhuǎn)熱材料在未來的能量轉(zhuǎn)換中起著至關(guān)重要的作用，”他說。

TACC使Koneru能夠加速大量可能的材料配置，以便在通過實(shí)驗(yàn)測試時(shí)，候選人數(shù)將是可控的。

“TACC是一個(gè)非常有用的系統(tǒng)，如果出現(xiàn)任何問題，可以指導(dǎo)您的人員，”Koneru說。“如果教師或?qū)W生對需要計(jì)算設(shè)施的研究感興趣，TACC是選擇的正確選擇。它免費(fèi)提供資源和專業(yè)知識(shí)。無論你熱衷于什么，它都是一個(gè)很好的推動(dòng)者。”

“我們的使命是鼓勵(lì)全州各地的研究人員使用TACC資源制作無法在實(shí)驗(yàn)室或使用本地集群進(jìn)行的驚人發(fā)現(xiàn)，”TACC的Ari Khan說。“Koneru博士的研究是這個(gè)項(xiàng)目的一個(gè)很好的例子，可能對空氣污染和全球變暖產(chǎn)生重大影響。”