美國國家航空航天局（NASA）毅力號探測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達數(shù)年的任務(wù)提供動力的技術(shù)：將熱量轉(zhuǎn)化為電能的熱電發(fā)電機。為了尋找熱電技術(shù)的下一個飛躍，杜克大學(xué)和密歇根州立大學(xué)的研究人員對兩種鎂基材料（Mg3Sb2和Mg3Bi2）有了新的基本見解，這兩種材料有可能大大超過傳統(tǒng)的熱電設(shè)計，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，實際上可帶來鎂基材料性能的三倍增長。

在他們發(fā)表在《科學(xué)進展》雜志上的研究中，該團隊使用了能源部（DOE）橡樹嶺（ORNL）和阿貢國家實驗室的中子和X射線散射實驗，以及國家能源研究科學(xué)計算中心（NERSC）的超級計算機模擬。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制。這些發(fā)現(xiàn)為改進熱電應(yīng)用指明了可能的新途徑，例如 "毅力號"探測器和無數(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)上是通過材料的冷熱面之間的溫度差產(chǎn)生電壓。通過將熱能轉(zhuǎn)化為電能，或反過來，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，因為它們的熱導(dǎo)率太高，這意味著它們傳遞的熱量太多，無法維持產(chǎn)生電壓所需的溫差。較重的材料通常更受歡迎，因為它們傳導(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。

該團隊研究的鎂材料屬于一個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，使得在材料中實驗和替換不同的元素相對容易--例如，用輕元素替換重元素以達到最佳性能和功能。

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，只是為了看看會發(fā)生什么。沒有人想到鎂是更好的化合物，事實上就是這樣的，所以下一步是要找出原因。

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

中子是研究聲子等量子現(xiàn)象的獨特對象，因為中子沒有電荷，可以與核子相互作用。這種相互作可比作彈奏吉他弦，因為它們可以將能量轉(zhuǎn)移到原子上以激發(fā)振動，并獲得關(guān)于材料內(nèi)部原子的隱藏信息。

該團隊使用ORNL的輻照中子源（SNS）的寬角范圍斬波器光譜儀，或ARCS，來測量聲子振動。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，因為它們是一種特殊的鎂鍵，通過使聲子波相互干擾而破壞了它們在材料中的傳播。ARCS可以檢測到廣泛的頻率和波長，幫助測量材料中發(fā)現(xiàn)的聲子波。

中子散射測量為研究小組提供了對鎂質(zhì)Zintl材料內(nèi)部動力學(xué)的廣泛調(diào)查，有助于指導(dǎo)和完善計算機模擬和隨后的X射線實驗。這些都被用來建立對材料導(dǎo)熱性來源的完整理解。

在阿貢高級光子源（APS）進行的補充性X射線實驗被用來放大晶體樣品中的特定聲子模式，這些樣品太小，無法進行中子測量。中子和X射線測量結(jié)果與在NERSC進行的超級計算機模擬結(jié)果一致。

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