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柔性热电器件应用于可穿戴电子设备示意图。

陈立东院士在做科普讲座。

方钴矿结构图。

以上图片均为中国科学院上海硅酸盐研究所提供

资料来源：中国科学院上海硅酸盐研究所

“十五五”规划纲要提出，深入实施能源安全新战略，加快构建清洁低碳安全高效的新型能源体系，建设能源强国。

热电技术能将消散的热量重新集结、化为电能，为绿色低碳生活提供有力支撑。本期“院士讲科普”，我们请中国科学院院士、热电材料专家陈立东讲述“点热成电”背后的科技魅力。

——编  者  

在中国科学院上海硅酸盐研究所的一间实验室里，数块名片大小的灰黑色材料片，借助两端200多摄氏度的温差，持续输出电能。这些看起来不起眼的“灰片”，正是中国科学院院士、热电材料专家陈立东钻研20多年的热电材料，经过研究，这些材料被赋予了“点热成电”的魔力，承载着将废弃热能转化为清洁电力的科学设想。

“全球范围内，人类所使用的初级能源中有超过60%最终以废热形式散失于环境。从钢铁厂炽热的烟道到汽车的排气管，甚至是我们厨房里的灶台——只要存在温度高于环境的热源，就有一座未被开发的‘能源金矿’。”陈立东说。

如何高效开采“能源金矿”？热电转换技术是极具潜力的有效路径。陈立东院士团队在热电材料上取得的一系列突破，正让这条路径变得越来越清晰、可行。

热电转换关键在材料

热电效应是什么？让我们回到19世纪初的一个场景：当德国物理学家托马斯·塞贝克将手指放在一个铋的块体上，放在线圈里的指南针突然转动，用酒精灯烧这个铋的块体，转动则更明显。这就是热电效应的发现。它揭示了由两种不同导体构成的回路两端存在温差时，回路中会产生电流——这就是热电材料发电的物理基础。

“原理看似简单，但将实验室现象转化为稳定、高效、可规模化应用的工程技术有很大挑战。”陈立东介绍，“主要瓶颈在于材料。一个理想的热电材料，需要扮演一个‘矛盾角色’：它必须像铜一样善于传导电子（高电导率），同时又得像泡沫玻璃一样阻挡热量的直接传递（低热导率），并且还能产生大的电压（温差电势）。只有这样，材料两端才能建立并维持足够的温差，从而持续输出高功率。此外，它还必须在高温下保持稳定，对环境友好且成本可控。”

能够完美达到这些严苛条件的材料非常稀缺。一种被称为“方钴矿”的天然矿物受到关注，它的晶体结构非常特殊，由钴、砷等元素构成一个刚性的三维框架、笼状晶体结构，框架中间形成了一个个排列规则的孔洞，就像灯笼或鸟笼。“这些空‘笼子’为我们打开了广阔的性能调控空间。”陈立东介绍。

上世纪90年代，国外科学家率先尝试将外来原子填入方钴矿的“笼”内。结果令人振奋：这些被填入的原子在“笼”内像一个个活跃的“弹珠”，对传播热量的声子（晶格振动）形成了极其强烈的散射。

“这相当于在材料内部构建了高效的‘声子散射网络’。”陈立东说，“原来的热量在晶格中传递，好比汽车在空旷的高速公路上飞驰。现在，我们填入的原子就像无数个随机出现、剧烈振动的‘减速带’和‘路障’，极大地阻滞了‘热流车辆’的速度，从而大幅降低了材料的晶格热导率。同时材料的电学传输通道受到的影响相对较小。”这样一来，方钴矿的短板——热导率高的情况就得以弥补。

这类新材料被命名为“填充方钴矿”。它们的出现为热电材料研究打开了一扇新大门，并迅速成为该领域前沿热点。

尝试原子填充，找到“最佳配方”

2001年，我国开始了对方钴矿热电材料的系统研究。陈立东进入中国科学院上海硅酸盐研究所，致力于开发填充方钴矿等中高温热电材料。

“跟踪前沿固然重要，更要知其所以然，并实现超越。”陈立东及其团队不仅致力于开发新材料配方，更深入探究其背后的物理机制。2005年，陈立东与合作团队揭示了填充原子在方钴矿笼状结构中的“局域化”振动模式及其对热传输的强散射机制。