熱電材料和技術(shù)驅(qū)動(dòng)航天器已經(jīng)有幾十年。但是，由于提高效率的一個(gè)發(fā)現(xiàn)，埃姆斯實(shí)驗(yàn)室（Ames Laboratory）的熱電材料可能有新的更廣泛的“綠色”能源應(yīng)用。來(lái)源：美國(guó)能源部埃姆斯實(shí)驗(yàn)室。
汽車，軍用車輛，甚至大規(guī)模的發(fā)電設(shè)施有朝一日都有可能更有效地運(yùn)作，這是由于可采用一種新的合金，是美國(guó)能源部艾姆斯實(shí)驗(yàn)室（Ames Laboratory）開(kāi)發(fā)的。實(shí)驗(yàn)室的一組研究人員得到了聯(lián)合資助，這些資助來(lái)自美國(guó)能源部基礎(chǔ)能源科學(xué)辦公室（Office of Basic Energy Sciences），材料科學(xué)與工程部（Division of Materials Sciences and Engineering）以及國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（Defense Advanced Research Projects Agency），這項(xiàng)工作實(shí)現(xiàn)了25%的性能改善，是用一種關(guān)鍵材料把熱轉(zhuǎn)換為電能。
“這里發(fā)生的事，沒(méi)有發(fā)生在其他任何地方，”艾烏杰尼·萊文（Evgenii Levin）說(shuō)，他是艾姆斯實(shí)驗(yàn)室副研究員，也是這項(xiàng)工作的聯(lián)合首席調(diào)查員，他談到了這一效率的顯著提高，是研究中備案的內(nèi)容。和萊文一起的，還有埃姆斯實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)。
所謂熱電材料就是把熱量轉(zhuǎn)化成電能，19世紀(jì)初以來(lái)就知道了。有一組行之有效的熱電材料，組成成分是碲（tellurium），銻（antimony），鍺（germanium），銀，因而就被稱為首字母縮寫“碲銻鍺銀”（ TAGS）。熱電性能是基于運(yùn)動(dòng)的載荷子（charge carriers），從它們受熱一端流向較冷的一端，就像電子沿著導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)。
這個(gè)過(guò)程被稱為塞貝克效應(yīng)（Seebeck effect），發(fā)現(xiàn)于1821年，發(fā)現(xiàn)者是托馬斯·約翰·塞貝克（Thomas Johann Seebeck），這個(gè)物理學(xué)家就居住在現(xiàn)在的愛(ài)沙尼亞。一個(gè)相關(guān)的現(xiàn)象也被觀察到，存在于所有熱電材料中，被稱為珀?duì)柼?yīng)（Peltier effect），這一命名是根據(jù)法國(guó)物理學(xué)家讓-查爾斯·珀?duì)柼↗ean-Charles Peltier），他做出這一發(fā)現(xiàn)是在1834年。珀耳帖效應(yīng)可用于固態(tài)加熱或冷卻，不需要移動(dòng)部件。
自塞貝克效應(yīng)和帕爾帖發(fā)現(xiàn)后近兩個(gè)世紀(jì)，實(shí)際應(yīng)用受到了限制，原因是低效率，這種材料進(jìn)行任何轉(zhuǎn)換都是這樣。重大的工作提高了這一效率，這發(fā)生在20世紀(jì)50年代，當(dāng)時(shí)，熱電轉(zhuǎn)換被當(dāng)作一個(gè)理想的動(dòng)力源，用于深空探測(cè)，隊(duì)員庫(kù)克解釋說(shuō)。“熱電轉(zhuǎn)換已成功用于驅(qū)動(dòng)旅行者號(hào)（Voyager），先鋒號(hào)，伽利略號(hào)，卡西尼號(hào)和海盜號(hào)航天器，”他說(shuō)。
盡管被美國(guó)航天局使用，低效率的熱電轉(zhuǎn)換仍然使它不能用于更實(shí)際的應(yīng)用，只是世界各地在持續(xù)進(jìn)行積極研究。“偶爾，你會(huì)聽(tīng)到效率大幅增加，”萊文解釋說(shuō)。但這些聲明都沒(méi)有經(jīng)過(guò)嚴(yán)密的檢驗(yàn)。
所有這一切都改變了，那是在2010年，埃姆斯實(shí)驗(yàn)室的研究人員發(fā)現(xiàn)，僅僅是增加1%的稀土元素鈰（cerium）或鐿（ytterbium），增加到“碲銻鍺銀”材料中，就足以提升性能。
該小組的工作成果見(jiàn)于文章：《分析鈰鐿摻合碲銻鍺銀85材料提升熱電優(yōu)值》刊登于在線雜志《先進(jìn)功能材料》。
該團(tuán)隊(duì)尚未準(zhǔn)確理解，為什么這么小的物質(zhì)結(jié)構(gòu)改變能夠根本影響其屬性。然而，他們推論說(shuō)，摻合碲銻鍺銀材料時(shí)采用兩種稀土元素中的任何一種，都可能影響幾種機(jī)制，提升熱電性能。
團(tuán)隊(duì)成員施密特·羅爾（Schmidt-Rohr）研究這種材料，使用了艾姆斯實(shí)驗(yàn)室的固態(tài)核磁共振光譜儀器（solid-state nuclear magnetic resonance spectroscopy instruments）。這使研究人員能夠確認(rèn)，1%的鐿鈰摻雜可以影響熱電材料的結(jié)構(gòu)。為了理解這些稀土的磁效應(yīng)，團(tuán)隊(duì)成員布德蔻（Bud'ko）研究了材料的磁性能。“稀土元素改進(jìn)了晶格，”萊文說(shuō)，他指的是熱電材料的晶體結(jié)構(gòu)。
研究團(tuán)體計(jì)劃測(cè)試這種材料，以便更好地了解為什么會(huì)發(fā)生這些顯著的變化，并希望進(jìn)一步提高性能。
這種耐用而且比較容易制作的材料有無(wú)限的應(yīng)用，包括回收利用工業(yè)煉油廠的余熱，或利用汽車廢熱給電動(dòng)汽車電池充電。“這是一個(gè)非常驚人的領(lǐng)域，”萊文說(shuō)，特別是多年研究碲銻鍺銀材料，使研究人員能夠了解其性質(zhì)。更好地理解熱電和性能改善，可以很快形成應(yīng)用，比現(xiàn)在規(guī)模更大。
此外，艾姆斯實(shí)驗(yàn)室的成果是依賴于摻雜碲銻鍺銀和少量鈰或鐿，更證明了的稀土元素的戰(zhàn)略重要性。鈰或鐿是15個(gè)鑭系元素（lanthanides）組的成員，被視為是必不可少的，幾乎用于每一種新技術(shù)，包括所有消費(fèi)電子產(chǎn)品、手機(jī)、混合動(dòng)力汽車電池和風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)馬達(dá)。艾姆斯實(shí)驗(yàn)室一直領(lǐng)先于稀土研究，這要回溯到二戰(zhàn)結(jié)束的時(shí)候。因擔(dān)心稀土元素短缺，就使這些鮮為人知的材料成為廣泛談?wù)摰脑掝}，在最近的新聞中就是這樣。
