這是不同的多孔層(梯度多孔材料)組成的層疊結(jié)構(gòu)示意圖。每一層包含一組間接分布、大小相同的孔(這里僅顯示一組這樣的粒子)。

無(wú)論是發(fā)熱的汽車(chē)，還是發(fā)熱的手提電腦，你生活中的每臺(tái)機(jī)器和設(shè)備都通過(guò)熱損失浪費(fèi)了大量能量。但是能夠?qū)崮芎碗娔芟嗷マD(zhuǎn)化的電熱裝置可能能夠利用廢熱提高綠色技術(shù)能源效率。這一效率的提高對(duì)于未來(lái)的可持續(xù)發(fā)展是十分必要的。如今，一項(xiàng)新的研究顯示出了多孔性物質(zhì)如何成為熱電材料——即指出了如何在未來(lái)使用這種材料制作熱電裝置。

希臘雅典國(guó)家研究中心(Demokritos)的Dimitris Niarchos說(shuō)，世界上產(chǎn)生的所有能量中，大約70%以熱量的形式消耗。他和在同一研究中心的Roland Tarkhanyan將他們的分析成果發(fā)布在美國(guó)物理聯(lián)合會(huì)(AIP)出版的《APLMaterials》雜志上。

為了創(chuàng)造出能夠充分利用這種熱量的技術(shù)，世界各地的研究人員一直在試圖創(chuàng)造更有效率的熱電材料。一個(gè)有發(fā)展前景的材料要充滿(mǎn)大小約一微米(十的負(fù)六次方米)到約一納米(十的負(fù)九次方米)的微孔。Niarchos 說(shuō)：“多空熱電技術(shù)能顯著提高熱電效率。所以這可以作為收集廢熱的一種可行手段”。

熱量利用聲子和震動(dòng)的量化單位(作為載熱粒子)穿過(guò)材料。當(dāng)聲子跑進(jìn)一個(gè)孔里時(shí)，它會(huì)分散、損失能量。因此，聲子不能有效地?cái)y帶熱量通過(guò)多層材料。這導(dǎo)致該材料的導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)比較低。而這一低導(dǎo)熱率會(huì)提高熱電轉(zhuǎn)化效率。材料的孔越多，則導(dǎo)熱系數(shù)越低，就越適合做熱電材料。

但是Niarchos 說(shuō)，到目前為止，研究人員還沒(méi)有系統(tǒng)地模擬出多孔材料是如何保持低導(dǎo)熱系數(shù)的。所以他和Roland Tarkhanyan研究了微納米多孔材料的四個(gè)簡(jiǎn)單模型結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱性能。他還說(shuō)這一分析為如何設(shè)計(jì)這種用于熱電設(shè)備的的材料提供了大致的方向。

總的來(lái)說(shuō)，研究人員發(fā)現(xiàn)當(dāng)孔越小、擠得越密時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)就越低。Niarchos 說(shuō)他們的運(yùn)算結(jié)果與其他實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)非常吻合。他們也表示，微納米多孔材料基本上比無(wú)孔材料的熱-電轉(zhuǎn)化率要高出好幾倍。

第一個(gè)模型所描述的材料充滿(mǎn)著小孔，孔的直徑從微米到納米，大小不等;第二個(gè)模型描述的是一個(gè)多層材料。由于材料的每一層的孔與其他層的孔的尺度是不一樣的，所以它的孔隙度會(huì)比較特殊;第三個(gè)模型描述的是一個(gè)由三維立方晶格組成的材料，立方晶格的孔大小相同;第四個(gè)模型描述的是另外一種多層材料，這一材料的每一層都包含一個(gè)立方晶格，立方晶格的孔大小也相同，但每一層的孔大小不同。

通過(guò)分析，第一個(gè)模型和第四個(gè)模型比第二個(gè)模型的導(dǎo)熱系數(shù)低。第三個(gè)模型似乎是最好的，因?yàn)樗膶?dǎo)熱系數(shù)比第四個(gè)模型的導(dǎo)熱系數(shù)還要低。

但是Niarchos 說(shuō)，除了第一個(gè)模型之外，其余的模型都是不切實(shí)際的。因?yàn)榈诙?、三、四個(gè)模型展現(xiàn)的都是小孔完美組合的一種理想化的狀態(tài)?，F(xiàn)實(shí)中，精確地創(chuàng)造出大小完全相同的孔是不可能的。因此，第一個(gè)模型是最有可能實(shí)現(xiàn)的。

不過(guò)他還說(shuō)，所有的模型都展示了多孔性在熱電材料中的重要性。在簡(jiǎn)單的一般的解析公式上建立模型，除了需要對(duì)多孔材料的有效晶格導(dǎo)電系數(shù)進(jìn)行快速、精準(zhǔn)的計(jì)算，還需要對(duì)材料進(jìn)行系統(tǒng)化的分析。