美國國家航空航天局（NASA）毅力號探測器的著陸不僅是太空探索的又一次飛躍，也是為該飛船在火星上長達數年的任務提供動力的技術：將熱量轉化為電能的熱電發電機。為了尋找熱電技術的下一個飛躍，杜克大學和密歇根州立大學的研究人員對兩種鎂基材料（Mg3Sb2和Mg3Bi2）有了新的基本見解，這兩種材料有可能大大超過傳統的熱電設計，而且更環保，制造成本更低。

與有關使用重元素的普遍科學智慧相反，研究人員表明，用較輕的鎂原子取代鈣和鐿等較重元素的原子，實際上可帶來鎂基材料性能的三倍增長。

在他們發表在《科學進展》雜志上的研究中，該團隊使用了能源部（DOE）橡樹嶺（ORNL）和阿貢國家實驗室的中子和X射線散射實驗，以及國家能源研究科學計算中心（NERSC）的超級計算機模擬。原子尺度的調查揭示了這些材料在室溫下將熱能轉化為電能的能力背后的起源和機制。這些發現為改進熱電應用指明了可能的新途徑，例如 "毅力號"探測器和無數其他設備和能源發電技術中的應用。

熱電材料本質上是通過材料的冷熱面之間的溫度差產生電壓。通過將熱能轉化為電能，或反過來，熱電設備可用于制冷或從廢熱中發電。

傳統的熱電材料依賴于重元素，如鉛、鉍和碲--這些元素不是很環保，而且它們也不是很豐富，所以它們往往很昂貴。另一方面，鎂更輕、更豐富，這使它成為運輸和航天應用的理想材料。通常情況下，較輕的材料不太適合用于熱電設計，因為它們的熱導率太高，這意味著它們傳遞的熱量太多，無法維持產生電壓所需的溫差。較重的材料通常更受歡迎，因為它們傳導的熱量較少，可以更有效地保存和轉換熱能。然而，這些鎂材料盡管質量密度低，但其熱電傳導率卻非常低，這些特性有可能為設計不依賴有毒元素的重型材料的新型熱電器件打開大門。

該團隊研究的鎂材料屬于一個更大的金屬化合物類別，稱為Zintls。Zintl化合物中的原子結構，或原子排列，使得在材料中實驗和替換不同的元素相對容易--例如，用輕元素替換重元素以達到最佳性能和功能。

在化學研究中，探索新材料的可能性往往涉及用一種元素替代另一種元素，只是為了看看會發生什么。沒有人想到鎂是更好的化合物，事實上就是這樣的，所以下一步是要找出原因。

材料中的原子不是靜止的，或者說是不動的；它們的振動幅度隨著溫度的升高而增加。集體振動產生了一種波紋效應，稱為聲子，看起來像池塘表面的波浪。這些波是通過材料傳遞熱量的，這就是為什么測量聲子振動對于確定材料的導熱性很重要。

中子是研究聲子等量子現象的獨特對象，因為中子沒有電荷，可以與核子相互作用。這種相互作可比作彈奏吉他弦，因為它們可以將能量轉移到原子上以激發振動，并獲得關于材料內部原子的隱藏信息。

該團隊使用ORNL的輻照中子源（SNS）的寬角范圍斬波器光譜儀，或ARCS，來測量聲子振動。他們獲得的數據使他們能夠追蹤到這些材料有利的低導熱性，因為它們是一種特殊的鎂鍵，通過使聲子波相互干擾而破壞了它們在材料中的傳播。ARCS可以檢測到廣泛的頻率和波長，幫助測量材料中發現的聲子波。

中子散射測量為研究小組提供了對鎂質Zintl材料內部動力學的廣泛調查，有助于指導和完善計算機模擬和隨后的X射線實驗。這些都被用來建立對材料導熱性來源的完整理解。

在阿貢高級光子源（APS）進行的補充性X射線實驗被用來放大晶體樣品中的特定聲子模式，這些樣品太小，無法進行中子測量。中子和X射線測量結果與在NERSC進行的超級計算機模擬結果一致。

熱電技術在像火星毅力號這樣的應用中至關重要，這些應用需要更簡單、更輕便和更可靠的設計，而不是傳統上用于從熱能發電的帶有移動部件的笨重發動機。這些鎂基材料是該領域的一大進步，可以提供明顯更高的功率效率，并為更先進的熱電應用提供很大的潛力。