Conversion between Magnetic, Electric, and Thermal energies in phase-transforming materials (COMET)

Dette prosjektet har som mål å finne nye materialer som kan brukes for konvertering mellom ulike energiformer under strukturelle fasetransformasjoner. Dette kan potensielt brukes til å høste varme ved lav temperatur med meget høy virkningsgrad. Et systematisk søk etter slike materialer har startet, og flere lovende materialer har blitt identifisert. Et dataprogram har blitt utviklet for å bruke relakserte strukturer fra tetthetsfunksjonalberegninger til å forutsi hvilke legeringer som tilfredsstiller de såkalte kofaktorbetingelsene. Dette er krav til krystallstrukturene som gjør det mulig å gjennomgå martensittiske fasetransformasjoner med minimal dissipasjon av energi. Dette fører til svært lav hysterese og mulighet for svært mange transformasjoner uten utmattelsesbrudd. Forutsigelser fra programmet har blitt brukt til å syntetisere nye forbindelser, og det jobbes nå eksperimentelt med å verifisere de teoretiske funnene. Samtidig arbeides det med eksperimentelle metoder som kan studere svært mange forbindelser i et tilsvarende søk. Magnetronsputtering blir brukt til å lage tynne filmer med gradert sammensetning, slik at mange tusen forskjellige sammensetninger blir produsert samtidig. Disse filmene har blitt undersøkt med flere forskjellige teknikker under oppvarming, og flere faseoverganger har blitt identifisert. Den endelige bekreftelsen på at dette virker blir gjort ved å produsere bulk-prøver som kan fremvise makroskopiske faseoverganger som er mulig å karakterisere presist med avansert mikroskopi, diffraksjon, spektroskopi, kalorimetri og spektrometri.

Vi forventer at forskningsfeltet kan oppnå mange positive virkninger av resultatene fra Comet-prosjektet. Programvaren som er utviklet i prosjektet er allerede brukt i andre aktiviteter, og det er håp om at den også kan anvendes av brukere i andre institusjoner og fagfelt. Resultatene for tvillinger over mange skalaer i Pd-Cu-Sn-systemet er spennende og kan ha vidtrekkende konsekvenser for hele feltet av fasetransformerende materialer. Oppdagelsen av et nytt orienteringsforhold i martensittiske transformasjoner av en bestemt sammensetning er også overraskende, og kan føre til oppdagelsen av en ny klasse av fasetransformasjonsmaterialer med nye egenskaper. Prosjektresultatene kan også bidra til utvikling av svært effektiv høsting av lavtemperaturvarme. Dette kan ha en enorm innvirkning på energiforbruk, energieffektivitet og generelle bidrag til karbonutslipp og global oppvarming.

This project aims to develop a radically new technology for harvesting low-temperature heat. Such heat is available in huge amounts from renewable sources (e.g. geothermal and solar) as well as in many industrial and domestic processes. It is based on phase transformation materials (PTMs) exhibiting large and abrupt changes in a physical property at a certain temperature. The change can e.g. be structural, magnetic, or electrical, giving rise to shape memory alloys, thermomagnetic, and pyroelectric materials. These are physical phenomena that have been known for some time, but applications have been scarce due to severe problems with hysteresis and stability. However, recent progress in the theory of such transformations has in principle solved these issues, and the path is open to devices that can convert heat to electricity with efficiencies close to the thermodynamic limit (the Carnot efficiency). The COMET project will benefit from this development through collaboration with the groups that developed the theory. It will further develop and merge a whole suite of new techniques that are specifically aimed towards identifying novel PTMs with superior properties for energy harvesting. This includes the following advances at the frontier of this field: 1. The first true ab initio calculation of pyroelectric coefficients. 2. The first identification of a complete set of descriptors (defining parameters) targeted at PTMs. 3. The first high-throughput screening modelling study on PTMs based on first principles, exploiting the exceptional efficiency of the temperature-dependent effective potential method. 4. The first synthesis of compositionally graded films for high-throughput experimental search and validation of theoretically predicted PTM properties. 5. The first study linking first-principles calculations, synthesis, and characterization of microscopic and functional properties of multiferroic PTMs.