美国宇航局的最新火星探测车依赖于一种半导体材料夹层，它可以将热量转化为电能。在好奇号的案例中，钚238的稳定放射性衰变加热了这种热电材料，并将大约4%的热量转化为稳定的电子流。月球静海上的一个类似的放射性同位素热电机（RTG）在几十年后仍在工作，两个旅行者号飞船在35年前发射后，其上的RTG也在工作；这种持久的可靠性是美国宇航局采用这种低效技术的主要原因。现在，研究人员发现了一种方法，至少可以将此类发电机效率提高一倍——这表明热电材料可能会在航空航天以外的应用以及地球上找到用武之地。
新型和旧型热电材料最常见的核心是一种称为碲化铅的化合物。当仅在一侧暴露于热量时——无论是来自放射性同位素还是其他来源——只要保持温差，它就会感应出电流。改进热电材料的挑战在于，既要阻止热量在材料中传递，又不能干扰其导电能力。
西北大学化学家默库里·卡纳齐迪斯和他的同事在9月20日发表在《自然》杂志上的报告中指出，通过从原子尺度到单个晶粒尺度精确设计材料，可以阻止碲化铅的热导率，而不会影响其电导率。结果是一种可以将至少8%的热量转化为电能的材料——理论上可以转化高达20%。（《大众科学》 是自然出版集团的一部分。）
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道： 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关当今塑造我们世界的发现和思想的具有影响力的故事的未来。
研究人员首先熔化碲化铅，然后将其冻结，从而在原子中创建纳米级晶体结构。这些精确定向的纳米结构散射中波长振动，或声子，声子携带热量，同时允许电子无阻碍地通过。
但是，较长波长的声子也继续通过，因为它们的波长比纳米结构的尺寸更长。因此，卡纳齐迪斯和他的同事更进一步，将纳米结构材料研磨成粉末。然后将粉末进行放电等离子烧结——在挤压粉末的同时，还在短时间内通过“非常大的[电流]量”（用卡纳齐迪斯的话说）——将晶粒固结成更大的块状。由于烧结发生得非常快，材料不会熔化，但会压实，使其足够坚硬，可以切割并制造成热电器件的核心。而这些晶粒有效地阻挡了较长波长的热量，同时仍然允许电流流动。
卡纳齐迪斯称这种“全尺度”工艺的结合，使碲化铅材料在高温度下将热量转化为电能的效率提高了一倍以上。“这非常重要，并且使整个装置更小，”卡纳齐迪斯指出。
或者，正如慕尼黑工业大学化学家汤姆·尼尔格斯在同一期《自然》杂志上撰文，关于他比作俄罗斯套娃的新制造工艺，该工艺由嵌套在彼此内部的越来越小的材料单元组成，“这种组合方法将碲化铅的热电性能提高到以前无法达到的水平。”
在这些水平上，此类热电器件可能在收集车辆（如海上油轮或卡车）的废热并将其转化为电能方面变得实用。宝马和福特已经在汽车中测试类似的热电材料。或者，这些器件可以用于高温冶金或玻璃制造行业。麻省理工学院的科学家甚至使用这种热电材料制造了一种装置，可以将太阳的热量更直接地转化为电能，而不是采用传统太阳能热电站的大型镜阵列。
当然，铅和碲都有毒，但无毒替代品，如氧化锌，未来可能被证明是可行的。至少，下一个登陆外星球的机器人探测车可能会有更多的能量。