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自制“土”仪器“玩”出科研高精尖

发布:opticseditor    |    2017-05-25 19:23    阅读:438
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用掌心的温热,就能让一个小小电扇转起来,这就是热电材料的神奇之处。这种能源材料,在太空、环保领域有着独特的用途。二十多年前,中国在这一领域完全不被国际重视,如今中国研制的热电材料、热电器件的性能已领跑世界。带动国内这一领域发展的“排头兵”中有一位从日本留学归来的研究者———中科院上海硅酸盐研究所研究员陈立东。

在纳米和原子尺度寻找热电器件

利用热能发电的传统方法,就是将水加热变成蒸汽,再用蒸汽推动涡轮来发电。可有些材料却可以直接用热能激发电子,形成电流。早在1821年,科学家就发现了这种奇特的“热电效应”———如果人类可以利用这种方式发电,那么很多现在废弃的热能,都能充分利用起来。比如,工厂里现在很难回收利用的200℃至400℃的余热,乃至汽车尾气、垃圾焚烧等余热也都能“变废为宝”。

“早在本世纪初,美国国家航空航天局(NASA)喷气推进实验室(JPL)就成立了研究小组,专门从事空间应用热电技术的研发。”陈立东2001年刚被中科院以“百人计划”从日本引进回国时,中国在这一领域接近空白。“当时,老院士严东生先生热切地支持我回国,新能源材料领域中国是短板,他说未来这会非常重要,我们应该在中国发展这一领域。”

要做出转化效率高、性能稳定的热电器件非常困难。首先,要寻找一种高性能热电材料———它必须同时是热的绝缘体和电的良导体。科学家需要在纳米和原子尺度,寻找可将热导率降低到极限,同时又能保持良好的电导率和热电势(由温差产生的电压)的晶体材料。而在制备热电器件时,要综合考虑热电材料、导电电极、焊接材料等多种材料的热膨胀、电阻、热阻等各种参数,器件制造过程中任何一点小的瑕疵就可能彻底扼杀热电材料的功能。

“这些‘婆婆妈妈’的小细节,每一个都影响着热电器件最后的性能。”陈立东说,很多看起来高大上的创新,实际上是探索过程中的“摸爬滚打”,看起来真有点“土”。

自制仪器让学生们深入了解测量原理

陈立东的实验室看起来有点“土”,里面有不少他带着学生自制的设备。

其中一间实验室里,一台红外测温设备搭建了一半———这是准备用来探测微小电流下产生的微小温差的。“目前,热电器件的性能国际上还没有标准的测量方法。”陈立东说。

陈立东回国时,中科院为他配备了200万元人民币启动经费,并招好了研究生,这使他的研究工作得到无缝衔接。可是,新型热电材料的许多性能,没有现成的商业仪器可以精确测试。他只能带学生自己设计并搭建设备,直到现在还是如此。

这些自制的仪器即使不再使用,也将继续留在实验室,让新入学的研究生用来了解测量原理和测量方法。陈立东说,新的测量设备自动化程度很高,用起来的确方便,可自制仪器却能让学生们深入了解其中的原理。

这十几年间,陈立东课题组将热电器件的转换效率从不到6%,提升到了12%,这是目前世界热电器件转化效率的最高值。同时,他还在基础理论上获得了突破———发现新型高性能热电材料,曾获得国家自然科学二等奖。

如今,国内整个热电领域的研究人员较十几年前已经增长了几十倍,中国在这个领域的影响力正在不断增大,陈立东也先后当选国际热电学会理事和亚洲热电联盟主席。

前来寻求产业化合作的美国、日本企业已有不少,国内企业也渐渐出现。“现在国内的工业基础与二十年前相比已经大幅提升,国内企业对新技术敏感性也日益增进。”他说,目前热电材料的民用化产品在全球也刚起步不久,他希望中国企业可以接上这一棒,把科研的领先优势延续到产业界。

来源:上海硅酸盐研究所

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