科学家们找到了将热量转化为电能的更好方法

编译：耿耿

图片来源：ORN/J]Ill Hemman

工程师通常将热量视为“浪费能源”，因为它很难有效地转化为任何有用的东西。然而，在研究人员选择尝试与通常方法完全相反的方法后，一类新的热电材料可能会改变这种情况。

顾名思义，热电材料将热量转化为电能，跳过了大多数大宗电力生产中使用的沸水阶段。然而，成本和效率低下使热电发电机被限制在利基应用中，例如为火星探测器等航天器提供动力，在这种情况下，轻质、可靠的能源生产比价格更重要。

热电材料过于昂贵且污染严重，无法更广泛地使用，但用镁代替较重元素的新版本可能会改变这种情况，为可以找到更广泛用途的更好选择打开大门。

热电材料的工作原理是在冷热两面之间产生电流。不幸的是，如果材料的导热性和它的导电性一样好，温度就会平衡，从而切断电流。因此，材料必须是热绝缘的，这种特性往往与重金属而不是轻金属有关，因此在该领域工作的科学家们将注意力集中在较大的原子上。

当其他科学家尝试以镁为基础的材料时，他们惊讶地发现这些材料的效果出奇地好。

杜克大学的Olivier Delaire博士已经证实，这些材料Mg3Sb2和Mg3Bi2的效果是钙和镱的三倍，这些元素具有更多的质子和类似的化学性质，这也可能解释了这一意外现象。

镁还具有相当大的优势，即便宜、丰富、相对无污染。虽然它与钙具有这些特点，但其他试验的材料却不是这样。

'德莱尔在一份声明中说：'传统的热电材料依赖于铅、铋和碲等重元素--这些元素对环境不太友好，而且它们也不是很丰富。'然而，这些镁材料尽管质量密度低，但其热电传导率却非常低。' 此外，虽然高温热电效应很常见，但Mg3Sb2和Mg3Bi2在接近室温时工作良好。

尽管如此，德莱尔并不认为这些特定的材料会成为热电发电的未来。锑和铋不是特别丰富，而且锑的生产对环境污染相当严重。然而，正如大多数药品都是对一种有前途但不完美的分子的修改一样，德莱尔希望迄今为止探索的两种镁基材料，属于被称为Zintls的一类，将为更好的版本打开大门。

'在化学研究中，探索新材料的可能性往往涉及用一种元素替代另一种元素，只是为了看看会发生什么，'第一作者丁景轩说。'通常我们用元素周期表中化学性质相似的元素来替代它们，而使用Zintls的一大优势是我们可以用很多不同的元素和不同的组合进行实验。'

尽管这可以通过试验和错误来完成，但丁和德莱尔希望通过确定为什么镁的效果如此好来缩短这一过程。他们了解到，镁的结合物阻碍了热量的传递。在它的存在下，将振动从材料的温暖一侧带到较冷一侧的热波会相互干扰，而不是干净地传播。