麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種利用金屬、熱和磁場(chǎng)來(lái)產(chǎn)生能量的方法，顯著地提高熱電轉(zhuǎn)換效率。圖片來(lái)源：Chelsea Turner/麻省理工學(xué)院

傳統(tǒng)上，發(fā)動(dòng)機(jī)在給汽車提供動(dòng)力的時(shí)候會(huì)散發(fā)出相當(dāng)多的熱量，假如我們可以像用發(fā)電站發(fā)出的熱量獲得電能那樣利用發(fā)動(dòng)機(jī)的這部分熱量，又會(huì)是什么樣的情況呢？隨著熱電材料的不斷改進(jìn)，這種節(jié)能方案可能會(huì)被大范圍應(yīng)用。這種方案的基本原理是：當(dāng)材料的一側(cè)被加熱時(shí)，熱電材料就會(huì)自發(fā)地產(chǎn)生電能。

科學(xué)家們?cè)谶^(guò)去的60多年里研究了許多材料，探究它們的熱電勢(shì)規(guī)律，還有將熱量轉(zhuǎn)化為電能的效率。但到目前為止，大多數(shù)材料的能量轉(zhuǎn)化效率都很低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大范圍應(yīng)用。

麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家們zui近發(fā)現(xiàn)了一種可以顯著提高材料熱電轉(zhuǎn)化能力的方法，并且在《Science Advances》雜志上發(fā)表了這種理論方法。他們用這種方法制作了新的材料，經(jīng)測(cè)試其熱電效率是目前zui好的熱電材料的五倍，并且理論上能夠轉(zhuǎn)換兩倍的能量。

麻省理工學(xué)院電子研究實(shí)驗(yàn)室的布賴恩?斯金納(BrianSkinner) 博士后表示：“如果這種材料的性能完全符合我們預(yù)期，那么現(xiàn)在許多低效率的事情以后做起來(lái)就會(huì)更有效率。人們可能會(huì)在自己的汽車?yán)锇l(fā)現(xiàn)，有一些小的熱電回收裝置把汽車引擎釋放出的余熱帶走，然后利用這部分能量來(lái)給電池充電。這些裝置也可以放在發(fā)電廠周圍，這樣以前被核反應(yīng)堆或燃煤電廠浪費(fèi)掉的熱量就能夠被回收到電網(wǎng)中。”斯金納的這篇文章的合著者是麻省理工學(xué)院物理梁富副教授（音譯，Liang Fu）。

在理論中尋找突破

材料的電子在溫差條件下的行為決定了材料利用熱量產(chǎn)生電能的效率。當(dāng)熱電材料的一側(cè)被加熱時(shí)，材料內(nèi)部會(huì)激發(fā)電子，并且電子會(huì)從熱邊躍出，在冷邊積累。這些電子積累可以在材料冷熱兩邊產(chǎn)生一個(gè)可測(cè)量的電壓。

到目前為止已經(jīng)被研究過(guò)的材料產(chǎn)生的熱電能量都很少，部分原因是電子很難被熱激發(fā)。在大多數(shù)材料中，電子存在于特定的能帶或能量范圍內(nèi)。每個(gè)帶之間都有一個(gè)間隙，這是一個(gè)很小的不能存在電子的能量范圍。給電子注入足夠的能量來(lái)跨越帶隙，并使電子在物質(zhì)上進(jìn)行物理遷移，是極具挑戰(zhàn)性的一項(xiàng)工作。

斯金納和梁富決定研究一種稱為拓?fù)浒虢饘俚牟牧系臒犭妱?shì)。拓?fù)浒虢饘倥c半導(dǎo)體和絕緣體等大多數(shù)其他固體材料不同，這類材料的獨(dú)特之處在于它們具有零帶隙。這是一種能使電子在加熱時(shí)很容易躍遷到更高能帶的能量結(jié)構(gòu)。

科學(xué)家們通常認(rèn)為拓?fù)浒虢饘偈窃趯?shí)驗(yàn)室中合成的一種較新的材料，但是不會(huì)產(chǎn)生很大的熱電能量。當(dāng)拓?fù)浒虢饘俨牧显谝贿吺軣釙r(shí)，電子就會(huì)充滿能量，并在另一端積聚。但是當(dāng)這些帶負(fù)電的電子跳躍到更高的能帶時(shí)，它們留下了所謂的“空穴”：正電荷的粒子也堆積在材料的冷邊，抵消了電子的作用，導(dǎo)致zui終產(chǎn)生的能量很少。

但團(tuán)隊(duì)還沒(méi)有廢棄對(duì)這些材料的研究。斯金納在一項(xiàng)與此無(wú)關(guān)的研究中，觀察到暴露在強(qiáng)磁場(chǎng)中的半導(dǎo)體產(chǎn)生了一種奇怪的效應(yīng)。電子的運(yùn)動(dòng)軌跡在磁場(chǎng)影響下發(fā)生彎曲。斯金納和梁富聯(lián)想到：磁場(chǎng)會(huì)對(duì)拓?fù)浒虢饘佼a(chǎn)生什么樣的影響？

他們通過(guò)查閱文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)普林斯頓大學(xué)的一個(gè)研究小組為了充分表征一種名為鉛錫硒化錫的拓?fù)洳牧?，?013年測(cè)量了它在磁場(chǎng)下的熱電特性。研究人員報(bào)告說(shuō)，他們?cè)趯?duì)這種材料的許多觀察中發(fā)現(xiàn)，材料的熱電發(fā)電量在35特斯拉的高磁場(chǎng)下增加了（作為比較，大多數(shù)MRI機(jī)器能夠操作大約2至3特斯拉）。

斯金納和梁富利用普林斯頓研究的材料特性，從理論上模擬了材料在一定溫度和磁場(chǎng)條件下的熱電性能。

斯金納說(shuō)：“我們zui終發(fā)現(xiàn)，材料在強(qiáng)磁場(chǎng)下會(huì)發(fā)生一件有趣的事情：可以讓電子和空穴向相反的方向移動(dòng)。實(shí)現(xiàn)電子向冷邊移動(dòng)，空穴向熱邊移動(dòng)，材料中同時(shí)存在這兩種現(xiàn)象。只要磁場(chǎng)更強(qiáng)，原則上就可以從同一材料中得到越來(lái)越大的電壓。”

特斯拉作用力

他們?cè)谛〗M的理論模型指導(dǎo)下，計(jì)算了鉛錫硒化物的ZT值，這個(gè)值表征了材料離通過(guò)熱能產(chǎn)生電能的理論極限有多近。迄今為止已報(bào)道的zui高效的材料的ZT值約為2。斯金納和梁富發(fā)現(xiàn)，在大約30特斯拉的強(qiáng)磁場(chǎng)下，硒化鉛錫的ZT值可以比zui高效的熱電材料高約5倍，達(dá)到10。

“這太不可思議了，”斯金納說(shuō)，“我們第一次發(fā)現(xiàn)這個(gè)結(jié)果時(shí)覺(jué)得它似乎有點(diǎn)太戲劇化了。我自己也花了幾天時(shí)間才相信這一切都是真的?！?/span>

他們計(jì)算出，硒化鉛錫在30特斯拉磁場(chǎng)中，加熱到大約500k，或440華氏度的情況下，其ZT值等于10，應(yīng)該能夠?qū)?8%的熱能轉(zhuǎn)化為電能；而ZT值等于2的材料只能將8%的熱能轉(zhuǎn)化為電能。

該研究團(tuán)隊(duì)承認(rèn)，目前可用的拓?fù)浒虢饘俦仨氃跇O高的磁場(chǎng)下加熱才能達(dá)到如此高的轉(zhuǎn)換效率，而世界上只有少數(shù)幾個(gè)工廠能產(chǎn)生這么強(qiáng)的磁場(chǎng)。要使這些材料用在發(fā)電廠或汽車中，磁場(chǎng)的操作范圍應(yīng)為1至2特斯拉。

梁富說(shuō)：“想要成功實(shí)施這個(gè)法案也是有條件的：使用的拓?fù)浒虢饘僖浅８蓛?，即材料中有很少阻礙電子的移動(dòng)的雜質(zhì)。雖然要保證材料純凈是很有挑戰(zhàn)性的，但是人們已經(jīng)為提高這些材料的純度付出了很多努力。”

他補(bǔ)充說(shuō)，他們?cè)谘芯恐嘘P(guān)注的硒化鉛材料，并不是科學(xué)家合成的zui純凈的拓?fù)浒虢饘?。換言之，如果換用其他更潔凈的拓?fù)浒虢饘俨牧?，就可以在更小的磁?chǎng)中表現(xiàn)出相同的熱功率性能。

梁富表示：“我們可以預(yù)料到，這種材料是一種好的熱電材料，但應(yīng)該還有更好的。一種方案是采用我們現(xiàn)有的zui佳拓?fù)浒虢饘伲?特斯拉的磁場(chǎng)下進(jìn)行性能測(cè)試。這種方案可能不會(huì)使轉(zhuǎn)換效率再提高2倍，但可能提高20%或50%，這已經(jīng)是一個(gè)相當(dāng)大的進(jìn)步。”

該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)為他們新的熱電方法申請(qǐng)專利，并正在與普林斯頓研究人員合作進(jìn)行新的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。


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