麻省理工學院的物理學家們發現了一種利用金屬、熱和磁場來產生能量的方法，顯著地提高熱電轉換效率。圖片來源：Chelsea Turner/麻省理工學院

傳統上，發動機在給汽車提供動力的時候會散發出相當多的熱量，假如我們可以像用發電站發出的熱量獲得電能那樣利用發動機的這部分熱量，又會是什么樣的情況呢？隨著熱電材料的不斷改進，這種節能方案可能會被大范圍應用。這種方案的基本原理是：當材料的一側被加熱時，熱電材料就會自發地產生電能。

科學家們在過去的60多年里研究了許多材料，探究它們的熱電勢規律，還有將熱量轉化為電能的效率。但到目前為止，大多數材料的能量轉化效率都很低，無法實現大范圍應用。

麻省理工學院的物理學家們zui近發現了一種可以顯著提高材料熱電轉化能力的方法，并且在《Science Advances》雜志上發表了這種理論方法。他們用這種方法制作了新的材料，經測試其熱電效率是目前zui好的熱電材料的五倍，并且理論上能夠轉換兩倍的能量。

麻省理工學院電子研究實驗室的布賴恩?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期，那么現在許多低效率的事情以后做起來就會更有效率。人們可能會在自己的汽車里發現，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給電池充電。這些裝置也可以放在發電廠周圍，這樣以前被核反應堆或燃煤電廠浪費掉的熱量就能夠被回收到電網中?！彼菇鸺{的這篇文章的合著者是麻省理工學院物理梁富副教授（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生電能的效率。當熱電材料的一側被加熱時，材料內部會激發電子，并且電子會從熱邊躍出，在冷邊積累。這些電子積累可以在材料冷熱兩邊產生一個可測量的電壓。

到目前為止已經被研究過的材料產生的熱電能量都很少，部分原因是電子很難被熱激發。在大多數材料中，電子存在于特定的能帶或能量范圍內。每個帶之間都有一個間隙，這是一個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跨越帶隙，并使電子在物質上進行物理遷移，是極具挑戰性的一項工作。

斯金納和梁富決定研究一種稱為拓撲半金屬的材料的熱電勢。拓撲半金屬與半導體和絕緣體等大多數其他固體材料不同，這類材料的獨特之處在于它們具有零帶隙。這是一種能使電子在加熱時很容易躍遷到更高能帶的能量結構。

科學家們通常認為拓撲半金屬是在實驗室中合成的一種較新的材料，但是不會產生很大的熱電能量。當拓撲半金屬材料在一邊受熱時，電子就會充滿能量，并在另一端積聚。但是當這些帶負電的電子跳躍到更高的能帶時，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，導致zui終產生的能量很少。

但團隊還沒有廢棄對這些材料的研究。斯金納在一項與此無關的研究中，觀察到暴露在強磁場中的半導體產生了一種奇怪的效應。電子的運動軌跡在磁場影響下發生彎曲。斯金納和梁富聯想到：磁場會對拓撲半金屬產生什么樣的影響？

他們通過查閱文獻，發現普林斯頓大學的一個研究小組為了充分表征一種名為鉛錫硒化錫的拓撲材料，在2013年測量了它在磁場下的熱電特性。研究人員報告說，他們在對這種材料的許多觀察中發現，材料的熱電發電量在35特斯拉的高磁場下增加了（作為比較，大多數MRI機器能夠操作大約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條件下的熱電性能。

斯金納說：“我們zui終發現，材料在強磁場下會發生一件有趣的事情：可以讓電子和空穴向相反的方向移動。實現電子向冷邊移動，空穴向熱邊移動，材料中同時存在這兩種現象。只要磁場更強，原則上就可以從同一材料中得到越來越大的電壓?！?/span>

特斯拉作用力

他們在小組的理論模型指導下，計算了鉛錫硒化物的ZT值，這個值表征了材料離通過熱能產生電能的理論極限有多近。迄今為止已報道的zui高效的材料的ZT值約為2。斯金納和梁富發現，在大約30特斯拉的強磁場下，硒化鉛錫的ZT值可以比zui高效的熱電材料高約5倍，達到10。

“這太不可思議了，”斯金納說，“我們第一次發現這個結果時覺得它似乎有點太戲劇化了。我自己也花了幾天時間才相信這一切都是真的?！?/span>

他們計算出，硒化鉛錫在30特斯拉磁場中，加熱到大約500k，或440華氏度的情況下，其ZT值等于10，應該能夠將18%的熱能轉化為電能；而ZT值等于2的材料只能將8%的熱能轉化為電能。

該研究團隊承認，目前可用的拓撲半金屬必須在極高的磁場下加熱才能達到如此高的轉換效率，而世界上只有少數幾個工廠能產生這么強的磁場。要使這些材料用在發電廠或汽車中，磁場的操作范圍應為1至2特斯拉。

梁富說：“想要成功實施這個法案也是有條件的：使用的拓撲半金屬要非常干凈，即材料中有很少阻礙電子的移動的雜質。雖然要保證材料純凈是很有挑戰性的，但是人們已經為提高這些材料的純度付出了很多努力?！?/span>

他補充說，他們在研究中關注的硒化鉛材料，并不是科學家合成的zui純凈的拓撲半金屬。換言之，如果換用其他更潔凈的拓撲半金屬材料，就可以在更小的磁場中表現出相同的熱功率性能。

梁富表示：“我們可以預料到，這種材料是一種好的熱電材料，但應該還有更好的。一種方案是采用我們現有的zui佳拓撲半金屬，在3特斯拉的磁場下進行性能測試。這種方案可能不會使轉換效率再提高2倍，但可能提高20%或50%，這已經是一個相當大的進步?！?/span>

該團隊已經為他們新的熱電方法申請專利，并正在與普林斯頓研究人員合作進行新的實驗測試。


來源：材料科技在線