172 新熱電材料

“喂，寧博士吧，我姓張，叫張研成，是譚教授的學生，譚導讓我來接你去實驗室看看，順便給你介紹下我們的項目，我現在已經在你們研究院門口了，請問你現在有空嗎？”

“行，張師兄你稍等兩分鐘，我馬上出來。”掛上電話，寧為又跟魯東義打了聲招呼，便出了研究院，果然一個帶著眼鏡的老大哥正在研究院門口低頭研究著手機。

之所以寧為覺得這是老大哥，垂著頭都能看出面容當真顯得非常成熟，眉毛向下聳拉著，看著便是一臉苦相。

“張師兄？”寧為叫了聲。

“哎呦，寧博士，不好意思啊，正在看剛剛發給我的一組數據。”這位老哥抬起頭順手將手機捅進兜里，熱情的沖著寧為伸出手。

跟這位面色凄苦的張師兄握了握手后，張師兄立刻說道：“我們趕緊去實驗室吧，路上我給你介紹一下項目情況，等會到了實驗室，我給你講解一下大概情況，數據已經拷貝好了，等會你帶回來就行。不過因為這個項目本來就是合作項目，所以在論文發出之前，實驗室內的所有數據都是絕對不能對外公開的。”

寧為點了點頭道：“這個我懂，保密原則，我們的很多研究成果在沒有發表之前也不能對外泄露的。聽說你們在發論文前都還要先把論文預印本傳到arXiv上，對吧？”

嘴里說著話，寧為發現這位張師兄走路簡直跟競走沒差了，他稍微慢點便跟不上這節奏。

“是啊，現在做材料確定了方向能研究的就那些東西，不注意一點，人家把成果拿去還原，還能拿出從頭到尾完整的實驗室報告，這找誰說理去？而且寧博士你是不知道，搞材料苦啊，我們還算好的，老板拿到的大都還是些比較高端的項目。”

“你是不知道，我們隔壁研究新能源電池的，做催化劑，每天洗瓶子都要幾個小時，電池部件根本見不到，天天就跟各種化學品打交道了，你說說，這種成果萬一真被同行剽竊了，人想死不？還是你們學數學的好啊！我就是沒那腦子，不然肯定也上數院！”

張師兄感慨了句。

好吧，各行有各行的苦，寧為其實很想跟這位張師兄聊聊學數學的苦，但是想到自己好像沒有立場說這些，遂作罷，干脆把話題引入正軌：“張師兄，譚教授這個項目是你們實驗室跟凝聚態國家物理實驗室合作的？具體是做什么的？需要我做些什么？先聽您說說，我也好做個準備。”

張研成答道：“嗯，我們這個項目是利用碳納米管做熱點材料的，具體就是利用定向納米管生產一種宏觀可編制纖維，我們希望能通過它制造一種紡織類熱電發生器。具體情況是這樣，之前物理實驗室那邊一次實驗意外發現在碳納米管宏觀組裝后依然能保持單納米管的大功率因數。”

“在此之前，普遍認為要實現這一點很難，主要是碳納米管本身樣品形貌差，另外也缺乏適當的費米能量調諧。但那次實驗過后，物理實驗室認為碳納米管纖維能夠擁有超高的導電性跟導熱性，能讓其具備極高的ZT值，成為一種近乎完美的熱電主動冷卻材料。畢竟相對傳統的碲化鉍、碲化鉛、硅鍺合金這些材料，碳納米管更為環保，而且儲量豐富嘛，所以我們老板過去談了談，兩邊一拍即合就上馬了這個項目。”

“哦！”

寧為點了點頭，然后又問道：“不過上次我好想看過一篇文章，說是碳納米管這種材料如果想要保持納米級的性能到宏觀尺度就目前的情況來看還很難啊。實驗室的制備方式根本沒法用于工業量產呀，所以就算你們真把這種材料制備出來，現在似乎也用不上吧？”

這個問題明顯讓身邊的張師兄顯得有些尷尬，下意識的抬起手摸了摸鼻子，解釋道：“咳咳，這個怎么說呢，要不怎么說是前沿材料研究呢，雖然暫時肯定是用不上的，但作為技術儲備放在那里，等以后工業基礎發展，能量產這種宏觀尺度保持特性的定向碳納米管材料了，也就馬上能用上了。”

好吧，寧為決定不再關心應用的問題，繼續問道：“那現在出什么問題了？需要我來幫忙？”

“是這樣的，為了找出這種材料，我們已經篩選出了四種樣品代表碳納米管的態密度，包括了內壁半導體碳納米管、內壁金屬碳納米管、外壁半導體碳納米管跟外壁金屬碳納米管。首先我們需要做光學光譜測量嘛，但是這種相對于纖維態，碳納米管的尺寸和吸收更適合于光學測量。”

“所以我們通過簡易刀片涂層技術，來生產定向碳納米管薄膜用于光學測量。問題就在這里了，我們使用溶液紡絲法將碳納米管溶解在CSA中開始，然后生成薄膜。這一過程使用了相同的納米管原材料，并確保化學處理方式跟纖維處理得完全相同，包括了CSA濃度、摻雜和退火條件等等。”

“但當我們根據光譜測量跟吸收數據帶入之前實驗室的數據計算并得出結果的時候，都跟我們之前確定的理論模型有極大的差距。同樣的實驗已經進行了七次，得到的結果跟理論模型的偏離值一直都無法接受。所以我們需要一個數學家，對現有數據進行一些整合，幫我們找一下問題到底出在什么地方。方便我們對實驗方向進行調整跟改進。”

張師兄大概的介紹了一遍情況。

寧為點點頭波瀾不驚的體驗著大腦擔任翻譯官的體驗，具體就是將張研成口中那些本該隔行如隔山的專業名詞一個個翻譯成實驗室里的各種手段。

雖然不能說讓寧為腦補出整個實驗室過程，但起碼不至于對人家在實驗室里干了什么一無所知。

“哦，退火溫度是多少？”寧為隨口問了句。

其實這些數據跟他的工作暫時還不相關，但走在路上啥都不聊，顯得單調了些。而且張師兄明顯沒有欣賞四周風景的意思。

這問題到是讓張研成詫異的看了寧為一眼，畢竟以往借來的數學博士們滿腦子都是各種數學公式，對一些工程學上的名詞都不太熟悉更對他們的實驗過程不太感興趣。

“退火溫度是用的那邊實驗室給的數據，分為500℃跟350℃兩個批次。”張研成答道。

寧為想了想，又問道：“我記得這類熱電材料需要提高ZT值，如果沒記錯的公式應該是ZTS2Tσ/k，對吧？也就是從本質上說，你們認為這種碳納米管組合應該擁有較高的賽貝爾系數，較高的導電率以及較低的導熱率對吧？所以到底是哪點不符合你們預先設立的理論模型？”

“你還研究過熱電材料？”張研成眨了眨眼，下意識的放慢了腳步。

畢竟寧為在數學跟計算機算法上的成就太過高大上了，即便他不是學這些專業的，即便他天天泡在實驗室里，都免不了日常聽到眼前這年輕人的傳奇故事。

大四不到一年時間就發了六篇頂刊論文，這效率絕對能讓任何一個做學術的人感覺不可思議。而且其中一篇論文讓一代數學名宿飲恨醫院，一篇論文另辟蹊徑解決了世界難題，另外三篇論文，直接牽扯出一個能改變世界的算法，現在實驗室出差，機票都比以前好訂了，似乎都得感謝眼前這個年輕人。

而現在他還能就材料學跟他扯出個一二三來，這是妖孽么？

“呵呵，這個張師兄，不瞞你說，只是略懂，隨便看過幾篇文章，千萬不敢說研究過。”寧為連忙答道。

“哦，略懂啊。”

張研成恍然的點了點頭，然后解釋道：“好吧，其實問題就在這里了。理論上來說，你說的沒錯，以往針對傳統熱電材料的研究許多都是通過降低導熱率來提高ZT值，但我們認為提高功率因數，更為重要。這也是我們這個項目創新的點這一了。我們將功率因數定義為PFS2σ，那么功率因數越大，在處理極大熱源，比如太陽能或者工業廢熱的時候就能最大化輸出功率密度。”

“另外在主動冷卻模式過程中，高導熱率又能利用珀耳帖效應提高從熱側到環境的熱流率，這在電子熱管理應用中很有前景。在這種主動冷卻模式下，熱量可以通過珀耳帖效應從冷側泵送到熱側，主動冷卻中的最大熱側熱流量與有效導熱系數κeff成正比，我們將之定義為κeffκPFT2H2T，其中TH是熱側溫度，T是兩側之間的溫差，這么說你懂了吧？這表明主動冷卻需要大κ和大PF，而不是高ZT！”

“其實吧，現在對傳統材料的研究已經快到天花板了。比如Bi2Te3跟它的合金，已經表現出了極高的性能。但是那玩意一來有毒啊，二來原材料也比較稀缺，三來要提升剛度非常難了；有機材料也是一個方向，不過我們也研究過有機材料，它們都很難提高其PF值，所以如果我們的項目能夠成功，等到工業基礎提升，保持微觀特性的碳納米管工業化量產技術出現之后，馬上就能有極為廣泛的應用。”

好吧，極為詳細的解說，寧為已經大概明白了這個項目的意義跟以及張師兄口中的材料理論模型。無非就是提高功率因數的同時，同時提高熱導率，不單純的追求高ZT值的同時，還能讓ZT值達到一定優勢，滿足未來熱電材料市場的需求。

唯一沒解釋的大概就是到底問題在哪，好在沒等寧為再追問，實驗樓已經到了。

氣派的圓柱形實驗樓就在新材料學院的教學樓旁邊，寧為這才發現來到燕北大學之后，竟然還真沒把學校內部好好逛過一圈，比如新材料學院他就從來沒有來過。

跟著張師兄走進了實驗室才讓寧為見識到了國內頂尖大學的真正底蘊。在張師兄的介紹下，寧為如同劉姥姥進大觀園般觀摩著各個實驗室里陳列的那些高精尖實驗室設備，什么差示掃描熱分析儀，X射線光電子能譜儀，X射線衍射儀，原子力顯微鏡，比表面積及孔隙度分析儀，顯微拉曼光譜測量系統，多通道電化學工作站，高分辨場發射掃描電鏡，高真空鍍膜儀，切割研磨一體機……

通過張師兄的介紹他大概明白了，譚教授經常找田言真幫忙的原因，大概率因為各個項目要使用以上儀器不但要預約，提前申請，而且項目組使用還要收費的，聽起來還不太便宜。

比如切割研磨一體機學校內部收費500一小時，如果是外部則是600一小時；又比如使用顯微拉曼光譜測量系統內部300一小時，外部要400，如果按個收費，每個樣品內部不低于50，外部不低于100。

而且跟寧為想像中不太一樣，整個項目組并不是在一個實驗室里忙碌，而是分多個實驗室在合作進行，張師兄則主要負責統籌整個項目組的運作。

這樣想想看，之前進行的七次實驗，每次實驗都要準備四種樣品進行各種處理，這時間跟錢簡直就如同流水般花出去……

雖然說這錢實驗室賺了肯定還是要用于設備維護以及保持實驗室競爭力，根據申請購買新的高端設備，但對于項目組來說，卻是切切實實的要拿錢結算的，想想看，也的確挺肉疼。

帶著寧為了解了一圈實驗室檢測中心的各種大型設備，張研成將寧為帶到了一間實驗室門前：“我們平時主要就是在這里做事了，各種數據資料也保存在這邊的電腦里。”

“對了，張師兄，不用我每天也來實驗室報道吧？譚教授也說了，我可以拿著數據到研究院那邊分析。”寧為說了一句。

“哦，沒事，帶你來主要是給你看一遍我們完整的測試過程，然后你想去哪做計算都行，就是時間上挺趕的，能盡量快些就最好了。”張研成答道。

科技之錘 172 新熱電材料