探索一种将热能转化为电能的新方法

美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员制造了一种新型设备，可以显着促进热量转化为电能。如果完善，该技术可以帮助以每年约100亿美元的速度回收美国浪费的一些热能。

由NIST研究员Kris Bertness及其合作者开发的新制造技术涉及在硅晶片上沉积数十万个氮化镓微观柱。然后从晶圆的底部去除硅层，直到只剩下薄片的材料。

柱子和硅片之间的相互作用减缓了硅中热量的传输，使更多的热量转化为电流。Bertness和她在科罗拉多大学博尔德分校的合作者于23月<>日在Advanced Materials上在线报告了这一发现。

一旦制造方法完善，硅片可以包裹在蒸汽或排气管上，将热量排放转化为电能，为附近的设备供电或输送到电网。另一个潜在的应用是冷却计算机芯片。

NIST-科罗拉多大学的研究基于德国物理学家托马斯·西贝克(Thomas Seebeck)首次发现的一种奇怪现象。在1820年代早期，塞贝克正在研究两根金属线，每根金属线都由不同的材料制成，它们在两端连接成一个环。

他观察到，当连接电线的两个连接点保持在不同的温度下时，附近的罗盘针会偏转。其他科学家很快意识到，偏转的发生是因为温差在两个区域之间感应出电压，导致电流从较热的区域流向较冷的区域。电流产生了一个磁场，使罗盘指针偏转。

从理论上讲，所谓的塞贝克效应可能是回收热能的理想方式，否则这些热能就会丢失。但有一个重大障碍。材料必须导热性差，以保持两个区域之间的温差，但导电性极好，将热量转化为大量的电能。然而，对于大多数物质，导热性和导电性是齐头并进的;不良的热导体会导致不良的电导体，反之亦然。

在研究热电转换的物理学时，科罗拉多大学的理论家马哈茂德·侯赛因(Mahmoud Hussein)发现，这些特性可以在覆盖着纳米柱的薄膜中解耦 - 长度不超过百万分之几米的立式材料柱，或大约是人类头发厚度的十分之一。他的发现导致了与Bertness的合作。

利用纳米柱，Bertness，Hussein和他们的同事成功地将硅片中的导热性与导电性解耦 - 这是任何材料的第一次，也是实现热能有效转换的里程碑。研究人员在不降低其导电性或改变塞贝克效应的情况下将硅片的导热性降低了21%。

在硅和其他固体中，原子受到键的约束，不能自由移动以传递热量。因此，热能的传输以声子的形式出现——移动原子的集体振动。氮化镓纳米柱和硅片都携带声子，但纳米柱内的声子是驻波，被微小柱子的壁固定下来，就像振动吉他弦固定在两端一样。

在硅片中传播的声子与纳米柱中的振动之间的相互作用减缓了行进的声子，使热量更难通过材料。这降低了导热系数，从而增加了从一端到另一端的温差。同样重要的是，声子相互作用实现了这一壮举，同时保持硅片的导电性不变。

该团队现在正在研究完全由硅制造的结构，并具有更好的热电热回收几何形状。研究人员希望证明热电转换率足够高，使他们的技术在工业上经济上可行。