Mesmo nos carros mais econômicos, cerca de 60 por cento da energia total da gasolina é perdida por meio do calor no tubo de escapamento e no radiador. Para combater isso, pesquisadores estão desenvolvendo novos materiais termoeléticos que podem converter calor em eletricidade. Esses materiais semicondutores podem recircular a eletricidade de volta para o veículo e melhorar a eficiência do combustível em até 5%.

O desafio é, os materiais termoelétricos atuais para recuperação de calor residual são muito caros e demorados para desenvolver. Um dos materiais mais modernos, feito de uma combinação de háfnio e zircônio (elementos mais comumente usados ​​em reatores nucleares), levou 15 anos desde sua descoberta inicial até o desempenho otimizado.

Agora, pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard John A. Paulson (SEAS) desenvolveram um algoritmo que pode descobrir e otimizar esses materiais em questão de meses, contando com a resolução de equações da mecânica quântica, sem qualquer entrada experimental.

“Esses sistemas termelétricos são muito complicados, "disse Boris Kozinsky, recentemente nomeado Professor Associado de Ciência de Materiais Computacionais na SEAS e autor sênior do artigo. "Os materiais semicondutores precisam ter propriedades muito específicas para funcionar neste sistema, incluindo alta condutividade elétrica, alta termelétrica, e baixa condutividade térmica, para que todo aquele calor seja convertido em eletricidade. Nosso objetivo era encontrar um novo material que satisfizesse todas as propriedades importantes para a conversão termoelétrica e, ao mesmo tempo, fosse estável e barato. "

Kozinsky foi coautor da pesquisa com Georgy Samsonidze, um engenheiro de pesquisa no Centro de Pesquisa e Tecnologia Robert Bosch em Cambridge, MA, onde ambos os autores conduziram a maior parte da pesquisa.

Para encontrar esse material, a equipe desenvolveu um algoritmo que pode prever as propriedades de transporte eletrônico de um material com base apenas nos elementos químicos usados ​​no cristal cristalino. A chave era simplificar a abordagem computacional para espalhamento elétron-fônon e acelerá-la em cerca de 10, 000 vezes, em comparação com algoritmos existentes.

O novo método e os resultados da triagem computacional são publicados em Materiais de energia avançados .

Usando o algoritmo aprimorado, os pesquisadores analisaram muitas estruturas cristalinas possíveis, incluindo estruturas que nunca haviam sido sintetizadas antes. Daqueles, Kozinsky e Samsonidze reduziram a lista a vários candidatos interessantes. Desses candidatos, os pesquisadores fizeram mais otimização computacional e enviaram os melhores desempenhos para a equipe experimental.

Em um esforço anterior, experimentalistas sintetizaram os principais candidatos sugeridos por esses cálculos e encontraram um material que era tão eficiente e estável quanto os materiais termoelétricos anteriores, mas 10 vezes mais barato. O tempo total desde a triagem inicial até os dispositivos em funcionamento:15 meses.

"Fizemos em 15 meses de computação e experimentação o que levou 15 anos para que os materiais anteriores fossem otimizados, "disse Kozinsky." O que é realmente empolgante é que provavelmente ainda não estamos entendendo totalmente a extensão da simplificação. Poderíamos tornar esse método ainda mais rápido e barato. "

Kozinsky disse que espera melhorar a nova metodologia e usá-la para explorar o transporte eletrônico em uma classe mais ampla de novos materiais exóticos, como isolantes topológicos.