科学家竞相研究热电设备变“废热”为电能

2010-9-28 09:31 来源: 中国科学院
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  计算机、电灯泡甚至人体产生的热——这些能量最终都耗散在环境中白白浪费掉了。而一种新型热电装置可让人们利用这些能量,将热能转换为电能或进行互相转换。

  新型纳米网筛可大大提高热电设备效能

  据物理学家组织网报道,美国加州理工大学研究人员开发出一种新型纳米网筛,用这种材料制成的热电装置效能更高。纳米网筛由带网眼的硅制薄膜制成,绝热性能极佳,不仅将导热率降到接近硅的理论极值,还同时保持了硅的导电效果。研究论文将发表在10月出版的《自然纳米技术》杂志上。

  热电装置可用于新型高效冰箱、制冷装置或暖气设备。但目前的热电装置效率较低,或由于原材料稀有昂贵,或对环境有害,而无法广泛用于商业化开发。

  提高热电材料能效的一个主要途径,是降低导热率而不影响它的导电性,这依赖于电流能否顺利通过材料。加州理工学院化学教授詹姆斯·希斯领导了这项研究,他们的团队前期使用了硅纳米线。硅纳米线比目前用在计算机微晶片上的还要细10倍到100倍,能绝热却不妨碍电子自由流动。

  在任何材料中,热的传导都是通过振动量子来进行的。振动量子是波的量子化包,就像光子是光波的量子化包。当振动量子沿着材料传播时,它们的热量是从一个点到另一个点逐个释放。纳米线的表面积对体积的比率很大,使振动量子扩散分布在表面和接口界面,由于歧路太多而很难顺利通过,从而能阻碍热量传递,却不会影响电流传导。

  但纳米线并非越细越好,它有一个临界值。如果太细超过了临界值,相对表面积对于电子来说也变得太大,就会使导电率急剧下降,甚至无法导电。

  围绕这一问题,研究人员用一种仅有22纳米厚的硅薄膜,制成像窗纱一样的微孔网筛,网眼是规则排列的11纳米或16纳米宽的小孔,小孔间隔为34纳米。

  纳米网筛阻止振动声子传导并非通过扩散分布,而是改变了振动量子的传导方式,尤其是减慢了它的速度。论文第一作者、加州大学化学系博士后斯洛博丹·迈特罗维克说,由于网筛结构降低了振动量子的速度限值,纳米网筛可以说失去了硅的某些性质。

  研究人员对比了纳米网筛和纳米线,发现纳米线尽管表面积对体积的比率更高,但其导热率是纳米网筛的2倍。他们认为,纳米网筛导热率下降是由振动量子速度减慢所致,而不是由于扩散分布效果。他们还对比了一种网眼比现有网筛大100倍的硅薄膜,其导热率比纳米网筛要高出大约10倍。

  研究人员目前正在试验不同材料和不同网眼的排布组合,以使设计达到最优化。迈特罗维克表示,他们的目标是设计出一种材料,不仅能降低振动量子速度,还能同时隔绝振动量子传递热量。

  电子的波属性首次用于热电设备

  据美国物理学家组织网9月24日报道,美国亚利桑那大学的物理学家设计出了一种热电设备,可以将废弃的热量变成电能,这种技术有望提高汽车、发电厂、工厂和太阳能电池板的效率。研究发表在9月份《美国化学学会纳米杂志》上。

  由亚利桑那大学副教授查勒斯·斯坦福德领导研发的这项技术使用了分子热电效应,所谓热电效应,是受热物体中的电子(空穴)随着温度梯度由高温区往低温区移动时所产生电流或电荷堆积的一种现象。

  研究人员还利用了量子物理学中的一个法则:波粒二象性,也就是诸如电子等细小的粒子既能够被看做波,也能够被看做粒子,这是研究人员首次利用电子的波属性将其变成能量。

  研究人员贾斯丁·博格菲尔德和斯坦福德在研究聚苯醚时,发现了其具有将热能转化为电能的潜力。每个聚苯醚分子的主干包含一个苯环组成的链,苯环由碳原子组成,这个苯环链就像“分子电线”一样,将各种分子连接起来,电子能够通过苯环。

  使用计算机模拟方法,博格菲尔德在两个电极之间,“种植”了很多聚苯醚分子。聚苯醚分子能够将热量变成电能的秘密在于其结构:沿着分子运动的电流一旦遇到苯环会被分成两个支流,其中的一支电流沿着苯环上的每个原子运动。

  博格菲尔德用这种方式设计出了这种苯环电流:在一个方向上,一组电子被迫沿着苯环行进比另一组电子更长的距离,这使得两组电子波重遇时,其处于不同的相位,因此,这两组波会相互抵消,这个过程就叫做量子干涉。当整个电路中存在一个温度差时,带电电荷之间的这种干涉会导致电子积聚在一起,从而在两个电极之间出现电压,这就是所谓的压电电压。

  博格菲尔德表示,该热电设备不需要运动的零件,只需要拿出一对金属电极并且在其中夹上一层聚苯醚分子就可。这种三明治一样的设备能够像热电设备一样工作,不需要冷却剂、液态氮,也不需要很多维护工作。

  斯坦福德指出,太阳能电池板在运行过程中会变得很热且效率会下降,人们可以使用这样的设备收集热量并将其变成电能,在冷却电池板的同时产生更多电能,可谓一箭双雕。

  他还表示,这种热电设备将一辆汽车浪费的热能变成电能,足以点亮200个100瓦的灯泡,同时可将汽车的效率提高25%,这对混合动力汽车来说非常可观。另外,这种材料的厚度仅为几百万分之一英尺(1英尺约0.3米),可以用来包裹汽车或者工厂的排气管,收集一些不捕捉就会失去的热能并将其转化成电能。