神奇的矿物热电性

  

      生活中,矿物因多种物理性质而被广泛用于人们的吃、住、用、行。如,豆腐中加有的石膏是矿物;药剂载体蒙脱石是矿物;建筑用水泥中的硅酸钙是矿物;牙膏中添加的伊利石是矿物;建造汽车轮船的钢铁合金等也是矿物。但是,有一些矿物具有特殊的物理性质如热电性却很少有人知道,根据这一属性研制出的日常功能材料也鲜为人知。 

  矿物的热电性是某些矿物在给定的温差环境下表现出荷电的性质。也就是说,有温差存在的环境下,一些矿物是可以把热能转换成电能的,当然反过来也能把电能转换成热能。这一神奇的矿物属性并非所有矿物具备,而是部分矿物的专属性质。从目前的研究结果,已经有60余种天然矿物具备这种特殊性质,人工合成矿物晶体也有数十种之多,如碲化镉、碲化铅、碲化铋等均是目前热电转换效率较高的矿物材料。 

  热电性这一神奇的矿物属性在我们的生产生活中具有很多用途,下面从三个小故事给大家说明神奇的矿物热电性及其用途。 

  (1) 热电玻璃:我们知道建筑物的窗户安装了玻璃是用来遮风挡雨和采光保暖的。我国科学家经过多年努力,已经研制出了除上述功能之外还可以发电的玻璃,称作发电玻璃或热电玻璃。也就是采用碲化镉等矿物薄膜,巧妙复合在“玻璃”上,使“玻璃”将照在其上的太阳光转化成电流。目前我国新建的热电玻璃工业生产线可以生产出最大单片面积达1.92m2,重约30Kg,年发电量可达260-270度电的热电玻璃产品,大约每55秒即可生产一块这样的成品玻璃。由于能够在未来取代石油作为供电能源,也有人称作其为挂在墙上的油田。可以预测,不久的将来,我们可以用上这种生产清洁能源的发电玻璃。 

  (2) 热电地震:地震常常给人民生命财产带来无法估量的损失。由于震源一般都在地下数十公里深度,目前人类仍然无法准确预测地震的发生。但是经过几十年的观测研究,对于地震的一些前兆现象有了较为深入的了解。其中,电异常和磁异常被认为是重要的地震前兆异常,也是地震预测的重要判据。可是地震前的地电异常发生机理仍然处于研讨阶段。不少科学家经过深入研究提出“压电效应”和“渗滤效应”等模式,用来解释地震地电异常发生机制,但是尚不能令人满意。最近根据热电矿物的研究,提出了 “热电效应” 新模式,似乎更能合理解释地震地电异常发生机制,而且模拟计算结果也显示出与观察到的震例属于同一量级。广泛存在于地壳的热电矿物如磁铁矿和石墨,以及地球深部发现的高温高压矿物硅铁合金等为“热电效应”模式合理解释地震地电异常提供了物质基础。相信经过深入研究,对于“热电效应”在地震电磁前兆异常研究方面能够发挥作用。 

  (3) 热电找矿:矿产资源是人类赖以生存的物质保障和社会进步的物质基础。特别是金矿物这种既有重要工业用途,也是重要饰品,而且是非常重要的国际金融避险产品,属于人类寻找资源永恒的主题。但是,由于金矿物往往以细小的肉眼难以识别的方式存在于某些寄住矿物当中而非常难找。科研人员通过大量的研究发现,黄铁矿是最常见的金寄主矿物,找到黄铁矿常常能够找到金矿资源。因此人们往往通过研究黄铁矿来达到找金的目的。热电现象被发现以来,人们很快发现黄铁矿具有特殊的热电性特征。即,不同环境下形成的黄铁矿其热电性特征完全不同。一般来说,形成于地壳浅部低温环境的黄铁矿,其热电性表现为空穴型导电,也称P型导电,热电特征显示出正的热电势;相反,形成于地壳深部高温环境的黄铁矿,其热电性表现为电子型导电,也称N型导电,热电特征显示出负的热电势。这样的热电性规律恰恰与黄铁矿载金特点密切相关,给人们寻找金矿提供了重要线索。人们总结后发现,对于脉型金矿床而言,当地壳浅部发现黄铁矿的热电系数为正值(正值越大越好),P型导电的黄铁矿占比越大时,深部存在金矿的可能性越大。由此,黄铁矿热电性特征已经成为找金的重要线索之一,专业上也把这个特征称作标型特征。 

  总之,矿物的热电性是矿物的神奇属性之一,其神奇之处在未来人类生产生活中必然能够发挥更加重要作用。 

 (申俊峰,罗军燕  撰稿)