[量子物理学解释死亡]量子物理学家用余热发电
[量子物理学解释死亡]量子物理学家用余热发电
亚利桑那大学物理学家们发现了一种新方法，可利用余热发电。利用量子效应，使用一种称作分子热电装置的理论模型，该技术有望提高汽车、电厂、工厂和太阳能电池板的效率。此外，更有效率的热电材料将使臭氧-臭氧层、氯氟烃、氟氟化碳合物都过时。
研究小组由查尔斯•斯塔福（Charles Stafford）牵头，他是物理学副教授，研究结果发表在美国化学学会《纳米技术》（ACS Nano）杂志9月号。
“热电装置有可能清洁地直接把热能转化为电能，无需传动部件，”论文第一作者、亚利桑那大学光学学院博士候选人贾斯汀•波格菲尔德（Justin Bergfield）说。
“我们在这个领域的同事告诉我们说，他们很有信心，我们在电脑上设计的装置可以制做，它会具有我们在模拟中看到的特性,。”
“我们希望，我们设计的这种热电动势大约比别人实验室取得的结果大100倍，”斯塔福说。不同于现有的热转化设备，如冰箱、汽轮机等，波格菲尔德和斯塔福的设备无需机械，也无需臭氧-臭氧层化合物。相反，一个橡胶状聚合物夹在两片用作电极的金属之间就能搞定。
汽车和工厂排放管道可以涂上这种材料，不到百万分之一英寸厚，就可以利用这些能量发电，否则这些能量就会作为热量散失。
物理学家利用了量子物理学定律，这是发电技术设计中通常没有挖掘的一个领域。对于初级学者来说，量子物理学定律似乎公然违背物质“被设想的”行为方式。
该技术的关键在于一条量子定律，物理学家称作波粒二象性：像电子这样的微小物质，其属性既像波又像粒子。
"从某种意义上说，电子就像一辆红色跑车，”Bergfield说。“那辆赛车既是一辆汽车，也是红色的，就像电子既是一个粒子也是一种波。这两者是同一事物的属性。对我们来说电子只是不如跑车明显而已。”
Bergfield和斯塔福发现可能把热转化为电，他们研究了聚苯乙醚（polyphenyl ethers），这些分子同时聚集形成聚合物，一种长链重复单元。每个聚苯乙醚分子的主干都包含一个苯环（benzene rings）链，而这种苯环链是从碳原子制成。该链连接每个分子的结构，作为一种“分子线”， 电子通过这种分子线传播。
“我们俩之前都研究过这些分子，也曾考虑使用它们作为一种热电装置，”Bergfield说，“但是我们真的从来没发现什么特别之处，直到在实验室独立研究的本科生米歇尔•索利斯（Michelle Solis）发现，仔细看，这些东西都有一种特殊属性。”
利用电脑模拟，Bergfield随后培育“生长”出一片分子森林，分子森林被夹在两个电极之间，并把此阵列暴露于模拟热源。
“当你增加每个分子中的苯环数量时，就增加发电量。”Bergfield说。
分子可以用热发电的秘密在于其结构：像河水到了一个叉口，分子上的电子流一旦遇到苯环就一分为二，沿每个环臂各有一支电子流。
Bergfield设计了苯环电路，其设计方案是，电子在一条路径上被迫绕环行进的距离比在另一条上长。这导致两个电子波在到达苯环彼端重新会合时产生异相性。当电子波相遇时，它们会在一种称为量子干涉的过程中彼此抵消。使电路内产生温差时，电荷流的这种干扰就会导致在两个电极之间形成电势，即电压。
波干扰是用于降噪耳机的一种概念：进入的声波遇到装置产生的对抗波，就会消除烦人的噪音。
“利用电子的波属性开发一种概念，将它转变成可用的能量，我们第一家，”斯塔福说。
“一种非常有效的热电装置，根据我们的设计，可以用一辆汽车的余热为大约200盏100瓦的灯泡供电，”他说。“换句话说，能提高汽车效率25%，这对混合动力汽车而言将是理想的，因为它已经使用了电动机。”
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