生活风向标让浪费的热能转换成电流

                                                                    沈英甲  

 
         科学家告诉我们一个惊人的事实：高达50％的汽车燃料和家庭用电都以热能的形式被浪费掉了。不妨做一个小实验，让汽车的发动机空转，然后摸摸发动机盖，或者摸摸正在运行的计算机、冰箱和电视机的后背，温度是不是很高？这些热量都被浪费了，但消费者还是为这些无用的热量付了钱。 

　　如果能有一种可靠的方法将这些被浪费掉的热能收集起来并加以利用就好了。现在就有这么一种办法，通过控制“声子”，能把发电机甚至汽车排气装置中被浪费掉的热能转换成可重新利用的电流。这一技术的研制花费了近200年时间。1821年，德国物理学家托马斯•泽贝克在将一个金属线圈的一侧加热后，受热部分的电子便会被激活并四处迸发，一部分电子到达较冷部分的线圈，出现多余的负电荷，形成电压差，从而产生了电流。问题在于，金属既导电又导热，因此在产生温差电效应的线圈中较冷部分的温度会很快升高，在温差消失后，温差电流也就消失了。产业界需要一种既能产生温差电效应又不导热的材料。正如光是由“光子”组成的一样，热是由“声子”组成的。在固体物质中，当声子从一个原子跳到另一个原子时，热能被传播开来。因此，关键是要控制声子的运动。 

　　1996年，美国麻省理工学院的两位物理学家米尔德里德•德雷斯尔豪斯和林登•希克斯找到了线索。他们在对一种3层复合材料进行研究的过程中发现，电子可以不受影响地在不同质地的材料间穿行，但声子的情况却不同，声子对原子间的连接结构非常敏感，不能轻易跨越不同的材料。结果，两位科学家发现，这种3层复合材料所产生的温差电是碲化铅单晶材料的约4倍。 

　　德雷斯尔豪斯和希克斯的发现引起了人们研制新材料的巨大兴趣，科研人员致力于研制出一种电子和声子能在其中以不同速度运行的新材料。在600摄氏度的温差下，这种新材料能够将18%%的热能转化成电能。而汽车排气管与其周围空气的温差高于这一温度。这种新材料已经申请了专利，它的制作工艺非常简单。只需将锑、铅、银碲按一定比例加入熔炉，在约800摄氏度的温度下熔烧4个小时，再在400摄氏度的温度下保持40个小时，然后冷却到室温就可以了。但最初连专利申请者自己都不能确信这种材料的工作原理。科学家当初在制作这种材料时，只是指望通过将轻重不一的原子混合到一起能改变原子之间的连接结构，从而更有效地阻止声子运动。但实际制作出的材料却比当初设想的更复杂。用电子显微镜拍摄的照片显示，在这种新材料中，银和锑形成了一些纳米级的“小岛”，围绕在它们周围的是铅和碲化物。这样，交错在一起的不同物质正好挡住了声子的去路。 

　　目前，美国海军正设法在舰船的发动机上使用这种新合金。下一步将是重新利用汽车和电厂的热能，从汽车的排气管获得的电能将足够为汽车的电瓶充电，可能还会有剩余。科学家用了将近200年才有了突破，也许用不了多久我们就再也不必为白白浪费的热能花钱了。