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。
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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。
作者:Stephen Luntz
斯蒂芬-伦茨毕业于墨尔本大学,拥有科学(物理学专业)和艺术(英国文学和科学历史与哲学)学位,随后又获得了澳大利亚国立大学的科学传播研究生文凭。在成为IFLScience.com的工作人员之前,斯蒂芬为《澳大利亚科学》杂志写作了15年。他的专栏入围了昆士兰州总理科学写作奖,并成为了《法医、化石和果蝠:澳大利亚科学家实地指南》一书的基础。
编译/出处:见配图水印