計算機(jī),、電燈泡甚至人體產(chǎn)生的熱——這些能量最終都耗散在環(huán)境中白白浪費掉了。而一種新型熱電裝置可讓人們利用這些能量,，將熱能轉(zhuǎn)換為電能或進(jìn)行互相轉(zhuǎn)換,。
新型納米網(wǎng)篩可大大提高熱電設(shè)備效能
據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)報道，美國加州理工大學(xué)研究人員開發(fā)出一種新型納米網(wǎng)篩,，用這種材料制成的熱電裝置效能更高,。納米網(wǎng)篩由帶網(wǎng)眼的硅制薄膜制成，絕熱性能極佳,，不僅將導(dǎo)熱率降到接近硅的理論極值,，還同時保持了硅的導(dǎo)電效果。研究論文將發(fā)表在10月出版的《自然納米技術(shù)》雜志上,。
熱電裝置可用于新型高效冰箱,、制冷裝置或暖氣設(shè)備。但目前的熱電裝置效率較低,，或由于原材料稀有昂貴,，或?qū)Νh(huán)境有害，而無法廣泛用于商業(yè)化開發(fā),。
提高熱電材料能效的一個主要途徑,，是降低導(dǎo)熱率而不影響它的導(dǎo)電性，這依賴于電流能否順利通過材料,。加州理工學(xué)院化學(xué)教授詹姆斯·希斯領(lǐng)導(dǎo)了這項研究,，他們的團(tuán)隊前期使用了硅納米線。硅納米線比目前用在計算機(jī)微晶片上的還要細(xì)10倍到100倍,，能絕熱卻不妨礙電子自由流動。
在任何材料中,，熱的傳導(dǎo)都是通過振動量子來進(jìn)行的,。振動量子是波的量子化包，就像光子是光波的量子化包,。當(dāng)振動量子沿著材料傳播時,，它們的熱量是從一個點到另一個點逐個釋放。納米線的表面積對體積的比率很大,，使振動量子擴(kuò)散分布在表面和接口界面,，由于歧路太多而很難順利通過，從而能阻礙熱量傳遞，卻不會影響電流傳導(dǎo),。
但納米線并非越細(xì)越好,，它有一個臨界值。如果太細(xì)超過了臨界值,，相對表面積對于電子來說也變得太大,，就會使導(dǎo)電率急劇下降，甚至無法導(dǎo)電,。
圍繞這一問題,，研究人員用一種僅有22納米厚的硅薄膜，制成像窗紗一樣的微孔網(wǎng)篩,，網(wǎng)眼是規(guī)則排列的11納米或16納米寬的小孔,，小孔間隔為34納米。
納米網(wǎng)篩阻止振動聲子傳導(dǎo)并非通過擴(kuò)散分布,，而是改變了振動量子的傳導(dǎo)方式,，尤其是減慢了它的速度。論文第一作者,、加州大學(xué)化學(xué)系博士后斯洛博丹·邁特羅維克說,，由于網(wǎng)篩結(jié)構(gòu)降低了振動量子的速度限值，納米網(wǎng)篩可以說失去了硅的某些性質(zhì),。
研究人員對比了納米網(wǎng)篩和納米線,，發(fā)現(xiàn)納米線盡管表面積對體積的比率更高，但其導(dǎo)熱率是納米網(wǎng)篩的2倍,。他們認(rèn)為,，納米網(wǎng)篩導(dǎo)熱率下降是由振動量子速度減慢所致，而不是由于擴(kuò)散分布效果,。他們還對比了一種網(wǎng)眼比現(xiàn)有網(wǎng)篩大100倍的硅薄膜,，其導(dǎo)熱率比納米網(wǎng)篩要高出大約10倍。
研究人員目前正在試驗不同材料和不同網(wǎng)眼的排布組合,，以使設(shè)計達(dá)到最優(yōu)化,。邁特羅維克表示，他們的目標(biāo)是設(shè)計出一種材料,，不僅能降低振動量子速度,，還能同時隔絕振動量子傳遞熱量。
電子的波屬性首次用于熱電設(shè)備
據(jù)美國物理學(xué)家組織網(wǎng)9月24日報道,，美國亞利桑那大學(xué)的物理學(xué)家設(shè)計出了一種熱電設(shè)備,，可以將廢棄的熱量變成電能，這種技術(shù)有望提高汽車,、發(fā)電廠,、工廠和太陽能電池板的效率,。研究發(fā)表在9月份《美國化學(xué)學(xué)會納米雜志》上。
由亞利桑那大學(xué)副教授查勒斯·斯坦福德領(lǐng)導(dǎo)研發(fā)的這項技術(shù)使用了分子熱電效應(yīng),，所謂熱電效應(yīng),，是受熱物體中的電子（空穴）隨著溫度梯度由高溫區(qū)往低溫區(qū)移動時所產(chǎn)生電流或電荷堆積的一種現(xiàn)象。
研究人員還利用了量子物理學(xué)中的一個法則：波粒二象性,，也就是諸如電子等細(xì)小的粒子既能夠被看做波,，也能夠被看做粒子，這是研究人員首次利用電子的波屬性將其變成能量,。
研究人員賈斯丁·博格菲爾德和斯坦福德在研究聚苯醚時,，發(fā)現(xiàn)了其具有將熱能轉(zhuǎn)化為電能的潛力。每個聚苯醚分子的主干包含一個苯環(huán)組成的鏈,，苯環(huán)由碳原子組成,，這個苯環(huán)鏈就像“分子電線”一樣，將各種分子連接起來,，電子能夠通過苯環(huán),。
