科学家们已经找到了一种巧妙的方法，可以将热电材料（将热能转换为电能的材料）的效率提高一倍，方法是混合两种具有不同机械性能但电子特性相似的物质。

结果是，这种混合物可在微观界面阻挡热量，同时让电流自由流动，从而使我们距离找到更廉价、更稳定的替代材料更近一步，以替代物联网等领域目前使用的金标准材料。

提升物联网热电技术

热电材料可直接将热能转化为电能，因此在为日益发展的“物联网”中的小型传感器和设备供电方面特别有用。然而，提高其效率长期以来一直是个挑战。要提高性能，这些材料必须同时做到两点：阻止热量通过其结构中的原子振动而流动，同时允许电荷自由移动。要做到这两点一直很困难，直到现在依然如此。

法比安·加姆鲁迪（Fabian Garmroudi）领导的研究团队开发出了一种新型复合材料，克服了这一障碍。他们通过将两种机械性能截然不同但电子特性相似的材料结合在一起，成功减少了热传导，同时提高了电迁移率。相关研究成果已发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。

用材料混合体打破导电性悖论

理想的热电材料应该具备高效导电但隔热的特点——而这两种特性通常不会同时存在。大多数优质的导体同样具备良好的导热性。

“在固体中，热传递既通过可移动的电荷载流子进行，也通过晶体晶格中原子的振动进行。在热电材料中，我们主要试图抑制通过晶格振动进行的热传递，因为这些振动对能量转换没有贡献，”第一作者法比安·加姆鲁迪解释说。加姆鲁迪在维也纳工业大学获得博士学位，目前在洛斯阿拉莫斯国家实验室（美国）担任主任博士后研究员。

在过去的几十年里，科学家们已经研发出越来越先进的方法来降低材料的导热性。这种新的混合方法为提高性能提供了一种很有前途的方式。

在微观层面构建的混合结构

加姆鲁迪回忆起他在筑波（日本）的研究经历时说道：“在‘狮子奖’的资助下，我得以在日本国立材料科学研究所开发新型混合材料，这些材料具有卓越的热电性能。”他是在维也纳工业大学工作期间完成这项研究的。

具体而言，将铁、钒、钽和铝合金（Fe2V0.95Ta0.1Al0.95）粉末与铋和锑（Bi0.9Sb0.1）粉末混合，并在高温高压下压制成密实材料。然而，由于这两种组分具有不同的化学和机械性能，因此它们不会在原子层面上混合。相反，铋锑材料会优先沉积在FeVTaAl合金晶体的微米级界面处。

阻挡热量但加速电流的接口

这两种材料的晶格结构，以及因此量子力学所允许的晶格振动都截然不同，以至于热振动不能简单地从一种晶体转移到另一种晶体。因此，界面处的热传递受到强烈抑制。同时，由于电子结构相似，电荷载流子的运动不受阻碍，甚至沿着界面显著加速。原因在于，铋锑（BiSb）材料形成了一种所谓的拓扑绝缘体相——这是一类特殊的量子材料，其内部是绝缘的，但表面可实现几乎无损耗的电荷传输。

采用量子工程材料效率翻倍

这种有针对性的热传输和电荷传输解耦使研究团队将该材料的效率提高了100%以上。“这使我们朝着开发一种能与市售碲化铋基化合物相媲美的热电材料的目标迈出了重要一步，”加姆鲁迪表示。碲化铋基化合物是在20世纪50年代研发出来的，至今仍被视为热电材料的金标准。这种新型混合材料的一大优势是，它们的稳定性显著提高，而且成本更低。

参考文献：2025年3月26日，《自然-通讯》（Nature Communications）上发表的，由法比安·加姆鲁迪、伊利亚·谢尔希延科、迈克尔·帕尔策、萨纽克塔·戈什、帕维尔·齐奥尔科夫斯基、格雷戈尔·奥皮茨、辉·杜·阮、塞德里克·布尔热、裕也·服部、亚历山大·里斯、塞巴斯蒂安·施泰尔、格达·罗格尔、彼得·罗格尔、埃尔哈德·沙夫勒、直之川直之、埃克哈德·米勒、恩斯特·鲍尔、约翰尼斯·德布尔和高尾盛夫合著的论文《具有拓扑绝缘晶界网络的Fe2VAl复合热电材料中的电荷和热传输解耦》。 DOI：10.1038/s41467-025-57250-6