我们周围到处都有热量。 在我们的汽车引擎中，在我们的计算机处理器中，在我们的工业管道中。其中大部分都被浪费了，散布到了环境中。那里 热电 长期以来，人们一直致力于捕获这种丢失的能量，但始终受到一个基本难题的阻碍：如何在不导热的情况下导电？
现在，由 法比安·加姆鲁迪 洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员得出了一个出人意料的有效答案。结合两个 物料 该团队创造了一种违反材料物理学惯例的混合物，其晶格结构不兼容，但电子特性兼容 并使热电效率提高一倍。 作为？我们一起来看看吧。
冲突属性的挑战
有效的热电材料（将热能转化为电能的固态半导体）必须高效导电，同时最大限度地减少热传递。如上所述，这提出了一个特殊的挑战：导电性良好的材料通常导热性也良好。
正如他解释的那样 加姆鲁迪：“在固体物质中，热量通过移动电荷载体和晶格中原子的振动来传递。”这个问题困扰了研究人员几十年，限制了这项有前景的技术的实际应用。
在热电材料中，我们主要寻求抑制通过晶格振动进行的热传输，因为它们对能量转换没有贡献。
这种洞察力使团队采取了一种全新的方法， 刚刚在新闻稿中宣布. 与其修改单一材料，为什么不将两种具有互补特性的材料结合起来呢？
改变游戏规则的热电直觉
这项创新诞生于 加姆鲁迪 在日本筑波，由狮子奖支持，并于日本国家材料科学研究所 作为他在维也纳技术大学.
在高温高压下，他融合了两种不同的粉末：一种由铁基合金制成， 钒, 钽 e 铝 （Fe₂V₀.₉₅Ta₀.₁Al₀.₉₅），另一种是混合物 铋锑 （Bi₀.₉Sb₀.₁）。结果如何？一种具有真正有前景的热电潜力的紧凑混合材料：最优雅的解决方案再次来自意想不到的组合。
这种方法之所以特别出色，是因为这两种材料不会在原子层面上融合。由于化学和机械特性的不同，铋锑成分选择性地聚集在 FeVTaAl 合金晶体之间的微米级界面上。 简单来说？ 想象一下两种完全不同类型的乐高积木无法拼在一起。当您尝试在压力和热量的作用下将它们结合在一起时，它们不会完全混合和融合，而是保持分离。铋锑（一种结构单元）不会与铁合金（另一种结构单元）混合，而是精确地定位在铁合金晶体之间的空间中，从而形成微观的“边界区域”。
正是在这些边界区域，奇迹发生了：电子可以轻松地从一种材料传递到另一种材料（良好的电传导），而热振动则被阻止（热传导不良）。这就像有一个过滤器，可以让电流通过但阻挡热量：这正是打破热电效率记录所需要的。
超越 50 年代的标准
他总结道：“这一发现使我们更接近我们的目标，即开发一种可以与基于碲化铋的市售化合物相竞争的热电材料。” 加姆鲁迪。 “有针对性地分离热量和电荷传输使团队能够提高材料的效率 超过 100%设立的区域办事处外，我们在美国也开设了办事处，以便我们为当地客户提供更多的支持。“
50 世纪 XNUMX 年代推出的碲化铋至今仍被视为热电材料的基准。然而，新型混合材料具有一个重要优势：它们更加稳定且更具成本效益。
这一突破可能会改变我们为物联网（特别是微传感器和其他微型电子设备）供电的方式。想象一下未来，工业厂房、车辆甚至人体产生的废热可以被收集并转化为可用的电能。
现在，由于这项开创性的研究，这成为了现实，它挑战了我们认为材料物理学可能的极限。
