目前，热电发电机很少见，主要用于像太空探测器这样的小型应用，在那里加油是不可能的。热电是一个活跃的研究领域，尤其是宝马和奥迪等汽车公司。然而，迄今为止，将热量转换为电力的成本已证明比电力本身更昂贵。
德克萨斯大学二叠纪盆地(UTPB)机械工程高级讲师Anveeksh Koneru正在探索一种利用自旋极化材料中电子的量子力学运动来捕获废热的新方法。
在粒子物理学中，自旋是由基本粒子，复合粒子(强子)和原子核携带的角动量的内在形式。通过称为自旋霍尔效应的机制，已经表明，通过利用附着在铁磁材料上的金属触点上的自旋群的差异，可以产生电压。日本研究人员在2008年首次通过实验证明，这一想法已经渗透了材料科学一段时间，但尚未找到最佳形式。
Koneru认为，在氧化钴中，他可能已找到合适的材料来利用这种效应来产生能量。陶瓷工业中用于制造蓝色釉料的无机化合物，在水分离技术中，钴氧化物具有接受替代过渡金属阳离子的独特能力，这使得它们能够与镍，铜，锰或锌混合。这些金属具有磁性，可以增加电子上下旋转的分离，并改善热量与电的转换。
“这种材料应该是一种良好的电导体，但是导热性能较差。它应该传导电子，而不是声子，这是热量，”Koneru说。“要通过实验研究，我们必须制造数千种不同的材料组合。相反，我们试图从理论上计算出使用替代材料的最佳配置是什么。”
自2018年以来，Koneru一直在德克萨斯高级计算中心(TACC)使用超级计算机来虚拟测试各种钴氧化物的能量分布，并进行一系列替换。
“每次校准需要30到40小时的计算时间，我们必须研究至少1,000到1,500种不同的配置，”他解释道。“它需要庞大的计算设施，而这正是TACC所提供的。”
Koneru与UTPB研究生Gustavo Damis Resende，Nolan Hines以及西弗吉尼亚大学的合作者Terence Musho于4月在亚利桑那州凤凰城举行的材料研究学会春季会议上介绍了他们对钴氧化物热电能力的初步发现。
研究人员研究了三种钴氧化物配置的56原子晶胞，通过镍和锌的取代进行调整，以获得最佳的热电性能。他们使用称为Quantum ESPRESSO的软件包来计算每种配置的物理特性。这些包括：
- 带隙：将电子激发到其传导能量所需的最小能量;晶格参数：晶格中晶胞的物理尺寸;
- 传导电子的有效质量：粒子在响应力时似乎具有的质量;
- 和自旋极化：自旋与给定方向对齐的程度。
然后使用这些基本特性进行传统的电荷和自旋输运计算，这可以告诉研究人员钴氧化物的配置如何将热量转化为电能。
据研究人员介绍，本研究开发的方法可应用于其他具有半导体和磁性的有趣热电材料，使其广泛用于材料科学界。
使用UT研究CYBERINFRASTRUCTURE
作为西弗吉尼亚大学的博士生，Koneru可以使用大型超级计算机进行研究。尽管UTPB在本地没有此类资源，但他能够通过UT研究网络基础设施(UTRC)计划利用TACC的先进计算系统和服务，该计划自2007年以来一直为德克萨斯大学系统的任何一个研究所提供研究。机构可以获得TACC的资源，专业知识和培训。
作为UTRC计划的一部分，TACC工作人员担任联络员，访问UT系统的14个校区，提供培训和咨询，并向研究人员介绍他们可用的资源。当TACC研究员Ari Kahn访问UTPB时，他遇到了Koneru，并鼓励他在TACC进行计算。
从那以后，Koneru一直在使用Lonestar5，这是一个专门为UT系统研究人员开发的系统。尽管仍处于早期阶段，但迄今为止的结果仍然很有希望。
“我很兴奋，因为当钴氧化物尖晶石被镍取代时，我们可以清楚地看到自旋极化。这是一个好兆头，”他说。“我们看到一个特定的配置在带隙方面有更高的分离，这是令人惊讶的，我们必须进一步探索。而且所有的校准都是收敛的，这表明它们是可靠的。”
一旦他确定了废热转换的最佳材料，Koneru希望设计一种可以应用于车辆尾管的糊状物，将废热转化为电能为汽车的电气系统供电。他估计这种装置每辆车的成本可能低于500美元，每年可减少数亿吨的温室气体排放。
“随着纳米材料纳米加工的最新进展和纳米材料的计算校准，旋转热材料在未来的能量转换中起着至关重要的作用，”他说。
TACC使Koneru能够加速大量可能的材料配置，以便在通过实验测试时，候选人数将是可控的。
“TACC是一个非常有用的系统，如果出现任何问题，可以指导您的人员，”Koneru说。“如果教师或学生对需要计算设施的研究感兴趣，TACC是选择的正确选择。它免费提供资源和专业知识。无论你热衷于什么，它都是一个很好的推动者。”
“我们的使命是鼓励全州各地的研究人员使用TACC资源制作无法在实验室或使用本地集群进行的惊人发现，”TACC的Ari Khan说。“Koneru博士的研究是这个项目的一个很好的例子，可能对空气污染和全球变暖产生重大影响。”