在中国科学院上海硅酸盐研究所的实验室里，几块灰黑色的材料片正悄然释放着能量。当这些名片大小的材料两端形成200多摄氏度的温差时，电流便开始在连接的电路中流动。这些看似普通的材料，正是热电材料专家陈立东院士团队二十年研究的结晶——它们能够将废弃的热能转化为清洁的电能，为能源利用开辟了新的可能。
全球能源消耗中，超过60%的初级能源最终以废热形式散失到环境中。从钢铁厂的高温烟道到汽车的排气管，甚至是家庭厨房的灶台，这些无处不在的热源实际上是一座未被开发的“能源金矿”。陈立东院士指出，热电转换技术为开采这座金矿提供了可行的解决方案。这项技术的核心在于利用热电材料，在温度差的作用下直接将热能转化为电能。
热电效应的发现可以追溯到19世纪初。当时，德国物理学家托马斯·塞贝克观察到，当两种不同导体构成回路且两端存在温差时，回路中会产生电流。这一现象为现代热电材料的研究奠定了基础。然而，将实验室中的现象转化为实际应用面临着巨大挑战。陈立东解释说：“理想的热电材料需要同时具备高电导率和低热导率，就像既要让电子自由流动，又要阻止热量传递。这种矛盾的特性使得高性能热电材料的开发异常困难。”
在众多候选材料中，方钴矿因其独特的晶体结构引起了科学家的关注。这种天然矿物的晶体由钴、砷等元素构成三维框架，形成规则排列的孔洞，宛如一个个微小的笼子。上世纪90年代，国外科学家尝试将其他原子填入这些笼中，发现填入的原子能够强烈散射传递热量的声子，从而显著降低材料的热导率，同时对电导率影响较小。这一发现为热电材料研究开辟了新的方向。
2001年，中国开始系统研究方钴矿热电材料。陈立东带领团队不仅致力于开发新的材料配方，更深入探究其背后的物理机制。他们发现，填充原子的振动模式对热传输有重要影响。通过尝试不同特性的原子进行填充，团队逐步优化材料性能。“这就像在微观世界中进行烹饪实验，”陈立东比喻道，“不同的原子就像不同的调料，我们需要找到最佳的组合，让材料的热电性能达到最优。”
研究很快从单一原子填充发展到多种原子协同填充。通过将不同尺寸和质量的原子共同填入方钴矿的笼中，团队创造了更复杂的声子散射模式，将材料的热导率降至接近理论极限。2011年，他们成功研制出多种元素共填充的方钴矿材料，其热电性能指标达到国际领先水平，标志着中国在该领域的研究进入世界前列。
开发出高性能块体材料只是第一步。如何将这些脆性陶瓷材料与金属电极可靠连接，制成能够承受高温、大温差和振动的实用模块，是另一个重大挑战。陈立东团队引入并改进了“放电等离子烧结”技术，能够在几分钟内完成材料与电极的高温高压烧结，实现原子级的紧密结合。他们还设计了多层梯度电极结构，有效缓解了材料与电极因热膨胀系数不同而产生的应力，提高了器件的可靠性。
经过二十多年的努力，团队将热电器件的转换效率从不到6%提升到接近15%。以中型卡车为例，其发动机尾气温度可达500-600摄氏度。利用团队开发的热电模块回收这部分废热发电，理论上可以满足车辆部分辅助设备的用电需求，或为电池充电，带来显著的节能和减排效果。
目前，新型热电材料正从实验室走向实际应用。陈立东描述了热电技术广阔的应用前景：在工业领域回收余废热，在交通运输中提高能源效率，在深空探索中为设备供电，在数据中心和芯片中实现高效冷却……随着研究的深入和成本的降低，这项技术有望在更多领域发挥重要作用，为构建清洁低碳的能源体系贡献力量。
