热力学定律中有这样一条：在一台机器工作的同时总是有一些能量以热能的形式损失掉。例如，汽车引擎在发动的过程中产生了巨大的热量。工业过程，例如玻璃制造以及钢铁铸造，也产生了大量的热能。尽管不可能百分百的将其回收利用，但是损失掉的热能将会是发电的潜在能源――如果我们能够有效地捕捉并将其转化。

 

　　一种可能方法叫做热电过程。自从20世纪50代，美国宇航局就已经开始这一领域的研究工作并且研发了半导体材料。这些半导体材料能够以合理的效率直接将热能转化成电能。一个热电发电器看起来有一点像晶体管电路，电流是从热的一边流向一个较冷的一边。“这些系统都是固态的，非常适合用于太空任务的供电。”加州理工学院的一位材料科学家杰夫·斯奈德（Jeff Snyder）说。“举个例子，美国宇航局已经把热电发电机用于深空探测上，例如“旅行者”号飞船的航行非常远已经不能够使用太阳能来供电了，该探测器采用的就是热电发电机。”

 

　　回到地球，斯奈德和他的同事们正在提高热电发电机的使用效率。作为目前材料研究的一个例子，包括斯奈德在内的研究者们已经找到了在纳米水平上重建热电材料。“但是我们也曾困惑过，究竟从哪里能看出提高。最终我们决定抛弃复杂的材料而仅仅研制出较为简单的材料，”斯奈德说。他和他的同事们意识到加入某些金属的简单材料能够同那些纳米结构的工作效率一样好。“最后，我说好吧，让我们忘掉纳米而专注于这些更为简单的材料。某种意义来说，这被认为是低技术、过时的方法。但是问题是这些老套方法做成的材料同纳米材料有着一样甚至更高的工作效率。”斯奈德说，一旦研究者们出现了更好的想法，那么对于纳米材料的进一步发展就成为了可能。

 

　　斯奈德的工作小组最开始用标准的半导体碲化铅来进行热电发电。一个热电材料将热能转化成电能的效率依赖于它的品质因子，其中包括了导电性以及温度转化特性的复杂计算。具体地说，碲化铅的品质因子为1，而斯奈德的工作小组在去年5月份的《自然》杂志上声称他们研发的加入金属的简单材料的品质因子为1.8，这是一个明显的提高。这些材料的本领依赖于通过半导体电子的有效通道最大值。

 

　　像其他半导体一样，碲化铅被认为是导电的多重“山谷”。然而，这些“山谷”本质上不会导电，除非它们被“调整”好才会导电。斯奈德和他的同事们通过加入精确数量的掺杂剂才发挥了碲化铅的导电本领。当他们用硒取代一些碲的时候，使得该材料的导电性能变得最佳。“如果一个键的能量比另一个高，当你注入电子的时候，这些电子仅仅会到达能量最低的一个键；它们不会接触到能量最高的键，”斯奈德说。“因此你需要做的是平衡两个键的能量，当注入电子的时候，这些电子才能够到达两个键，于是你就得到特别的传导渠道。”

 

　　此外，他们用钠取代了铅，在化学键中铅贡献两个电子，钠仅仅贡献一个。这种取替在材料中产生了“空缺”，进而使得电子有更多的空间移动并最终使得材料可以导电。加入搀杂剂的质量不同也会破坏振动并降低材料的热损耗。这就意味着材料传热能力更好并因此捕获更多的能量。“加热是振动原子，因此当原子彼此粘附时就传输了热量，”斯奈德解释道。“当原子在一端振动时，这些振动迅速地移动到另一端并传导了振动能量以及热量。”

 

　　斯奈德工作小组的突破性进展并不止于一个狭窄领域，而是正确地结合了一套较小因素的材料集合。“如果你错过了上述中的任何一步，你都不会得到任何高品质因子的材料。因此，为了得到最佳的组合，在最开始研发的时候你就要不断地去尝试。”斯奈德说。

 

　　斯奈德希望改进的热电材料可以更好地降低热能损耗。诸如发电厂等大型系统可以使用蒸汽机来有效的回收热能。“为了有效回收热能而在你的汽车上面安放一台蒸汽机，这将是十分昂贵、笨重的，”斯奈德说。“热电材料的优点是它为固态，相对性地简洁以及少量的维护保养，因此我们希望热电材料能为我们提供更多的便利并有效地减低热能损耗。”