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

據悉，德克薩斯大學二疊紀盆地(UTPB)機械工程高級講師Anveeksh Koneru正在探索一種利用自旋極化材料中電子的量子力學運動來捕獲廢熱的新方法。

在粒子物理學中，自旋是由基本粒子，復合粒子(強子)和原子核攜帶的角動量的內在形式。通過稱為自旋霍爾效應的機制，已經表明，通過利用附著在鐵磁材料上的金屬觸點上的自旋群的差異，可以產生電壓。日本研究人員在2008年首次通過實驗證明，這一想法已經滲透了材料科學一段時間，但尚未找到最佳形式。

Koneru認為，在氧化鈷中，他可能已找到合適的材料來利用這種效應來產生能量。陶瓷工業中用于制造藍色釉料的無機化合物，在水分離技術中，鈷氧化物具有接受替代過渡金屬陽離子的獨特能力，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的分離，并改善熱量與電的轉換。

“這種材料應該是一種良好的電導體，但是導熱性能較差。它應該傳導電子，而不是聲子，這是熱量，”Koneru說。“要通過實驗研究，我們必須制造數千種不同的材料組合。相反，我們試圖從理論上計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算中心(TACC)使用超級計算機來虛擬測試各種鈷氧化物的能量分布，并進行一系列替換。

“每次校準需要30到40小時的計算時間，我們必須研究至少1,000到1,500種不同的配置，”他解釋道。“它需要龐大的計算設施，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會春季會議上介紹了他們對鈷氧化物熱電能力的初步發現。

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行調整，以獲得最佳的熱電性能。他們使用稱為Quantum ESPRESSO的軟件包來計算每種配置的物理特性。這些包括：

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

- 傳導電子的有效質量：粒子在響應力時似乎具有的質量;

- 和自旋極化：自旋與給定方向對齊的程度。

然后使用這些基本特性進行傳統的電荷和自旋輸運計算，這可以告訴研究人員鈷氧化物的配置如何將熱量轉化為電能。

據研究人員介紹，本研究開發的方法可應用于其他具有半導體和磁性的有趣熱電材料，使其廣泛用于材料科學界。

使用UT研究CYBERINFRASTRUCTURE

作為西弗吉尼亞大學的博士生，Koneru可以使用大型超級計算機進行研究。盡管UTPB在本地沒有此類資源，但他能夠通過UT研究網絡基礎設施(UTRC)計劃利用TACC的先進計算系統和服務，該計劃自2007年以來一直為德克薩斯大學系統的任何一個研究所提供研究。機構可以獲得TACC的資源，專業知識和培訓。

作為UTRC計劃的一部分，TACC工作人員擔任聯絡員，訪問UT系統的14個校區，提供培訓和咨詢，并向研究人員介紹他們可用的資源。當TACC研究員Ari Kahn訪問UTPB時，他遇到了Koneru，并鼓勵他在TACC進行計算。

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

“我很興奮，因為當鈷氧化物尖晶石被鎳取代時，我們可以清楚地看到自旋極化。這是一個好兆頭，”他說。“我們看到一個特定的配置在帶隙方面有更高的分離，這是令人驚訝的，我們必須進一步探索。而且所有的校準都是收斂的，這表明它們是可靠的。”

一旦他確定了廢熱轉換的最佳材料，Koneru希望設計一種可以應用于車輛尾管的糊狀物，將廢熱轉化為電能為汽車的電氣系統供電。他估計這種裝置每輛車的成本可能低于500美元，每年可減少數億噸的溫室氣體排放。

“隨著納米材料納米加工的最新進展和納米材料的計算校準，旋轉熱材料在未來的能量轉換中起著至關重要的作用，”他說。

TACC使Koneru能夠加速大量可能的材料配置，以便在通過實驗測試時，候選人數將是可控的。

“TACC是一個非常有用的系統，如果出現任何問題，可以指導您的人員，”Koneru說。“如果教師或學生對需要計算設施的研究感興趣，TACC是選擇的正確選擇。它免費提供資源和專業知識。無論你熱衷于什么，它都是一個很好的推動者。”

“我們的使命是鼓勵全州各地的研究人員使用TACC資源制作無法在實驗室或使用本地集群進行的驚人發現，”TACC的Ari Khan說。“Koneru博士的研究是這個項目的一個很好的例子，可能對空氣污染和全球變暖產生重大影響。”