美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）毅力號(hào)探測(cè)器的著陸不僅是太空探索的又一次飛躍，也是為該飛船在火星上長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的任務(wù)提供動(dòng)力的技術(shù)：將熱量轉(zhuǎn)化為電能的熱電發(fā)電機(jī)。為了尋找熱電技術(shù)的下一個(gè)飛躍，杜克大學(xué)和密歇根州立大學(xué)的研究人員對(duì)兩種鎂基材料（Mg3Sb2和Mg3Bi2）有了新的基本見解，這兩種材料有可能大大超過(guò)傳統(tǒng)的熱電設(shè)計(jì)，而且更環(huán)保，制造成本更低。

與有關(guān)使用重元素的普遍科學(xué)智慧相反，研究人員表明，用較輕的鎂原子取代鈣和鐿等較重元素的原子，實(shí)際上可帶來(lái)鎂基材料性能的三倍增長(zhǎng)。

在他們發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上的研究中，該團(tuán)隊(duì)使用了能源部（DOE）橡樹嶺（ORNL）和阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的中子和X射線散射實(shí)驗(yàn)，以及國(guó)家能源研究科學(xué)計(jì)算中心（NERSC）的超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬。原子尺度的調(diào)查揭示了這些材料在室溫下將熱能轉(zhuǎn)化為電能的能力背后的起源和機(jī)制。這些發(fā)現(xiàn)為改進(jìn)熱電應(yīng)用指明了可能的新途徑，例如 "毅力號(hào)"探測(cè)器和無(wú)數(shù)其他設(shè)備和能源發(fā)電技術(shù)中的應(yīng)用。

熱電材料本質(zhì)上是通過(guò)材料的冷熱面之間的溫度差產(chǎn)生電壓。通過(guò)將熱能轉(zhuǎn)化為電能，或反過(guò)來(lái)，熱電設(shè)備可用于制冷或從廢熱中發(fā)電。

傳統(tǒng)的熱電材料依賴于重元素，如鉛、鉍和碲--這些元素不是很環(huán)保，而且它們也不是很豐富，所以它們往往很昂貴。另一方面，鎂更輕、更豐富，這使它成為運(yùn)輸和航天應(yīng)用的理想材料。通常情況下，較輕的材料不太適合用于熱電設(shè)計(jì)，因?yàn)樗鼈兊臒釋?dǎo)率太高，這意味著它們傳遞的熱量太多，無(wú)法維持產(chǎn)生電壓所需的溫差。較重的材料通常更受歡迎，因?yàn)樗鼈儌鲗?dǎo)的熱量較少，可以更有效地保存和轉(zhuǎn)換熱能。然而，這些鎂材料盡管質(zhì)量密度低，但其熱電傳導(dǎo)率卻非常低，這些特性有可能為設(shè)計(jì)不依賴有毒元素的重型材料的新型熱電器件打開大門。

該團(tuán)隊(duì)研究的鎂材料屬于一個(gè)更大的金屬化合物類別，稱為Zintls。Zintl化合物中的原子結(jié)構(gòu)，或原子排列，使得在材料中實(shí)驗(yàn)和替換不同的元素相對(duì)容易--例如，用輕元素替換重元素以達(dá)到最佳性能和功能。

在化學(xué)研究中，探索新材料的可能性往往涉及用一種元素替代另一種元素，只是為了看看會(huì)發(fā)生什么。沒有人想到鎂是更好的化合物，事實(shí)上就是這樣的，所以下一步是要找出原因。

材料中的原子不是靜止的，或者說(shuō)是不動(dòng)的；它們的振動(dòng)幅度隨著溫度的升高而增加。集體振動(dòng)產(chǎn)生了一種波紋效應(yīng)，稱為聲子，看起來(lái)像池塘表面的波浪。這些波是通過(guò)材料傳遞熱量的，這就是為什么測(cè)量聲子振動(dòng)對(duì)于確定材料的導(dǎo)熱性很重要。

中子是研究聲子等量子現(xiàn)象的獨(dú)特對(duì)象，因?yàn)橹凶記]有電荷，可以與核子相互作用。這種相互作可比作彈奏吉他弦，因?yàn)樗鼈兛梢詫⒛芰哭D(zhuǎn)移到原子上以激發(fā)振動(dòng)，并獲得關(guān)于材料內(nèi)部原子的隱藏信息。

該團(tuán)隊(duì)使用ORNL的輻照中子源（SNS）的寬角范圍斬波器光譜儀，或ARCS，來(lái)測(cè)量聲子振動(dòng)。他們獲得的數(shù)據(jù)使他們能夠追蹤到這些材料有利的低導(dǎo)熱性，因?yàn)樗鼈兪且环N特殊的鎂鍵，通過(guò)使聲子波相互干擾而破壞了它們?cè)诓牧现械膫鞑ァRCS可以檢測(cè)到廣泛的頻率和波長(zhǎng)，幫助測(cè)量材料中發(fā)現(xiàn)的聲子波。

中子散射測(cè)量為研究小組提供了對(duì)鎂質(zhì)Zintl材料內(nèi)部動(dòng)力學(xué)的廣泛調(diào)查，有助于指導(dǎo)和完善計(jì)算機(jī)模擬和隨后的X射線實(shí)驗(yàn)。這些都被用來(lái)建立對(duì)材料導(dǎo)熱性來(lái)源的完整理解。

在阿貢高級(jí)光子源（APS）進(jìn)行的補(bǔ)充性X射線實(shí)驗(yàn)被用來(lái)放大晶體樣品中的特定聲子模式，這些樣品太小，無(wú)法進(jìn)行中子測(cè)量。中子和X射線測(cè)量結(jié)果與在NERSC進(jìn)行的超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果一致。

熱電技術(shù)在像火星毅力號(hào)這樣的應(yīng)用中至關(guān)重要，這些應(yīng)用需要更簡(jiǎn)單、更輕便和更可靠的設(shè)計(jì)，而不是傳統(tǒng)上用于從熱能發(fā)電的帶有移動(dòng)部件的笨重發(fā)動(dòng)機(jī)。這些鎂基材料是該領(lǐng)域的一大進(jìn)步，可以提供明顯更高的功率效率，并為更先進(jìn)的熱電應(yīng)用提供很大的潛力。