研究人员首次成功观测到两种液体材料之间的热电效应

CHRISTOPHE GISSINGER

根据200多年前首次观测到的物理学，热电装置可以将热能转化为电能，反之亦然。但在那段时间里，从未在全液体系统中观察到热电现象。也就是说，研究人员直到最近才观察到了两种液态金属之间界面的热电性。

这是一个重要的观察结果：液体热电可以用来制造从废热中清除能量的新设备，研究的见解可以帮助改进液体金属电池的设计。巴黎高等师范学院（ENS，École Normale Supérieure）的研究人员近日在《美国国家科学院院刊》上发表了他们的研究结果（https://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.2320704121）。

纽约罗切斯特大学的机械工程师Douglas Kelley说：“研究两种液态金属界面的热电效应是一种非常直观和优雅的想法，回想起来似乎很明显。”Kelley补充道：“但据我所知，以前没有人做过这项研究。”

ENS的物理学家Christophe Gissinger研究液态金属的基本物理及其在电池中的应用。他说，科学家们对温度梯度如何影响导电液体中的电流流动几乎一无所知。Gissinger说，他突然想到液态金属电池中的导电层与热电装置相似。所以他决定在液态金属中寻找热电。

Gissinger和他的同事选择了两种在室温下呈液态的金属：镓和汞。实验是在一个有冷藏壁的圆柱体中进行的。在圆柱体的中心，研究人员放置了一个较小的圆柱形加热器。研究人员将致密的液态汞倒入外圆柱体，然后在其顶部涂上一层较轻的液态镓。他们从内部加热液体，冷却圆柱体的外壁，沿着两种金属之间的界面形成温度梯度。浸入液态金属中的电线测量了产生的电场。

研究人员看到了一种复杂的、湍流的电流对温差的反应。电流通过汞从腔室的热侧循环到冷侧，然后穿过界面进入镓。从那里，电流从镓的冷侧流到热侧，然后流回汞，以此类推，形成一个循环。Gissinger说，在金属之间的界面上有多个这样的环。

这种简单的循环电流与在固体中看到的类似，沿着界面也存在停滞点，即没有电流密度的地方。Gissinger说，这种情况在固体中不会发生，很可能是由于液体中的湍流、非线性热流。与固体金属制成的系统相比，电流密度非常大——这向Gissinger表明，这种液体热电可以用于将废热转化为电能的新型高效设备。

Gissinger说，他认为科学家以前没有观察到液体中的热电，因为测量起来很有挑战性，而且他们没有观察。在液化大多数金属所需的高温下，精确控制温度梯度更具挑战性。当加热时，很难测量热电效应引起的微尺度电压。研究室温下呈液态的金属是关键。此外，传统上，热电是固态物理学家的领域，而不是研究流体的研究人员的领域。

Kelley说，这种现象在液态金属电池的背景下可能意义重大。当Gissinger的团队将实验室放置在一个线圈内并施加磁场时，液体开始在水箱中旋转。Kelley说：“在液态金属可以自由流动的电池设计中，它的运动很重要。”剧烈运动会使电解质层破裂并使电池短路。相反，轻柔的搅拌动作会很有帮助，因为它可以减少电池中的副反应，从而实现更快的充电和更高的功率，并延长电池的寿命。

Kelley说，还需要进一步的研究来确定热电如何影响液态金属电池的性能，以及如何利用它。Gissinger希望在电池原型中测试这些想法。

这些发现也可能对行星科学产生影响。Gissinger说：“当我们发现这种效应时，我们试图想象在什么情况下，两种导电液体之间有一个交界面，以及交界面上的温差。” 他的团队推测这些效应可能是木星磁场的原因之一。该行星的核心被一大片金属氢包围，金属氢被液态分子氢的大气层覆盖。地球的赤道比两极更温暖，沿着金属液氢界面产生了温度梯度。Gissinger说：“我们预计这会产生电流，通过热电效应产生部分地球磁场。”