絕緣體熱電轉換材料

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廢熱在個人電腦、汽車及工廠等許多方面都已經成為亟需解決的問題。作為有效利用這些廢熱的手段，可將熱量直接轉換為電力的「熱電轉換材料」 越來越受到關注。不過，現有熱電轉換材料大多使用昂貴且毒性較強的重金屬，已成為普及的阻礙。

對此，2010年9月，日本東北大學金屬材料研究所教授齊藤英治實證了便宜且無害的絕緣體可用作熱電轉換材料。這樣一來，不僅是廢熱，還可將日常生活中多餘的熱量簡單地轉換成電能並加以利用。

日本東北大學金屬材料研究所教授齊藤英治

        個人電腦、汽車、工廠、焚化爐及伺服器機房——目前在許多方面，廢熱都已成為亟需解決的問題。我們在日常生活中所消耗的所有能量，實際上有70％沒有得到充分利用，而是作為廢熱被釋放到了自然界中。

        作為有效利用這些廢熱的手段，近年來，可將熱量直接轉換成電的「熱電轉換材料」 越來越受到關注。

        熱電轉換材料是指利用加熱金屬和半導體等流通電的物質的一部分，使之產生溫差之後，沿著溫度梯度會產生電壓的自然現象，可「直接」將熱量轉換為電的物質。這種自然現象被稱為「塞貝克效應」，在大約200年前被發現。

        通常情況下，火力發電是燃燒石油和天然氣等燃料，使用燃燒時產生的熱能製造水蒸氣，然後利用這些水蒸氣旋轉蒸汽渦輪發電。核電也利用蒸汽渦輪發電，在這方面是相同的。

        另一方面，熱電轉換材料與火力發電和核電不同，可將熱量直接轉換為電力。因此，如果能夠使用熱電轉換材料，將此前一直被廢棄的熱量和日常生活中的多餘熱量轉換為電力，就不會浪費能源。有望對全球變暖對策做出巨大貢獻。


重金屬多已成為普及的障礙

不過，令人遺憾的是，實際上目前熱電轉換材料並未得到廣泛普及。

        那麼原因何在？其實最大的原因就在於材料。現有熱電轉換材料中，使用了許多稀少且毒性較強的鉍、碲、銻及鉛等重金屬。除了價格較高之外，還有可能對環境和人體產生壞影響。並且，由於主要使用的是金屬和半導體等可流通電的物質，因此還有會因熱傳導而損失能源、發電效率降低的問題。結果用途受到限制。

        因此，為了解決上述問題，全球都在積極研發新材料。

        因有望成為一個突破口而受到關注的，是東北大學金屬材料研究所教授齊藤英治的研究。齊藤教授于2010年9月通過實驗證實，以往被認為不可能的絕緣體有可能成為熱電轉換材料。結果，不僅是廢熱，我們日常生活中的點滴熱量都有可能轉變成電力加以利用。

        絕緣體因熱傳導造成的能源損失也比較少。可完全解決現有熱電轉換材料所存在的問題。因此，應用範圍也比較廣，有利於推動普及。關於絕緣體的優勢，齊藤教授說： 「可以大面積製造，也是一個比較大的優勢。比如，如果用熱電轉換材料覆蓋工廠牆面，或許便可利用牆壁將工廠廢熱轉換為電力，並將這些電力用於工廠設備的運轉。」

        此外還可利用廢熱以外的其他能量。如果用熱電轉換材料覆蓋樓宇牆面和道路，還可利用樓宇牆壁及道路，將太陽熱轉換為電力。

        齊藤教授在實驗中使用的是名為「磁性石榴石」的絕緣體。安裝鉑電極，加熱絕緣體一側使之產生溫差，確認是否產生電流。

利用絕緣體進行熱電轉換的概念圖（左）以及實驗中使用的材料

        雖是絕緣體卻「有電流流通」，這是因為利用了磁性石榴石所具備的「磁性」。具有磁性的絕緣體，被稱為「磁性絕緣體」。

        例如，用於磁棒的鐵氧體等，許多絕緣體都具有磁性。齊藤教授稱：「只要是磁性絕緣體，都能變成熱電轉換材料。」


與電子學並存的「自旋電子學」

磁性原本是物質的構成要素「電子」所具有的性質之一。電子具有帶電性和磁性。此前人類一直在推進積極利用其中帶電性的「電子學」的發展。

使用安裝有鉑電極的絕緣體進行自旋轉換為電荷的實驗

        對此，已開始有把磁性納入電子學領域進行充分利用的動向。這就是被稱為「自旋電子學」的研究領域。「自旋」會產生磁性。

        齊藤教授是自旋電子學研究第一人，他發現了在絕緣體中會發生與塞貝克效應同樣的現象「自旋塞貝克效應」。在此次的實驗中，他應用了這種效應。

        雖然不流通電，但如果是具備磁性的磁性絕緣體，通過將之加熱、產生溫差，便能夠產生自旋波。齊藤教授對其進行較好的控制，在與鉑電極的接點處轉換為電荷，成功生成了電力。

        齊藤教授坦率地說道：「不過，目前還處在實證階段，因此將熱量轉換為電力的轉換效率僅為1％左右。」

        實際上，在絕緣體與鉑電極的接點處，是依據什麼樣的物理定律，自旋轉變為電荷，電荷再轉變為自旋，這些尚不明確。

        要提高轉換效率，必須查明絕緣體與鉑電極接點部分所發生的物理現象。因此，齊藤教授今後將從理論和實驗兩方面來解開這個謎團。

        齊藤教授說：「自旋電子學是問世還不滿20年的嶄新研究領域。因此，絕緣體應用於熱電轉換材料也只不過是其中一個例子，還無法想像今後究竟會給我們人類帶來多大的益處。」（《日經商務在線》特約撰稿人：山田久美）

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發電成本並不低.