172 新热电材料
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田言真判断的果然没错，压根没等到下午，还不到十点半，宁为的电话就响了起来。
“喂，宁博士吧，我姓张，叫张研成，是谭教授的学生，谭导让我来接你去实验室看看，顺便给你介绍下我们的项目，我现在已经在你们研究院门口了，请问你现在有空吗？”
“行，张师兄你稍等两分钟，我马上出来。”挂上电话，宁为又跟鲁东义打了声招呼，便出了研究院，果然一个带着眼镜的老大哥正在研究院门口低头研究着手机。
之所以宁为觉得这是老大哥，垂着头都能看出面容当真显得非常成熟，眉毛向下耸拉着，看着便是一脸苦相。
“张师兄？”宁为叫了声。
“哎呦，宁博士，不好意思啊，正在看刚刚发给我的一组数据。”这位老哥抬起头顺手将手机捅进兜里，热情的冲着宁为伸出手。
跟这位面色凄苦的张师兄握了握手后，张师兄立刻说道：“我们赶紧去实验室吧，路上我给你介绍一下项目情况，等会到了实验室，我给你讲解一下大概情况，数据已经拷贝好了，等会你带回来就行。不过因为这个项目本来就是合作项目，所以在论文发出之前，实验室内的所有数据都是绝对不能对外公开的。”
宁为点了点头道：“这个我懂，保密原则，我们的很多研究成果在没有发表之前也不能对外泄露的。听说你们在发论文前都还要先把论文预印本传到arXiv上，对吧？”
嘴里说着话，宁为发现这位张师兄走路简直跟竞走没差了，他稍微慢点便跟不上这节奏。
“是啊，现在做材料确定了方向能研究的就那些东西，不注意一点，人家把成果拿去还原，还能拿出从头到尾完整的实验室报告，这找谁说理去？而且宁博士你是不知道，搞材料苦啊，我们还算好的，老板拿到的大都还是些比较高端的项目。”
“你是不知道，我们隔壁研究新能源电池的，做催化剂，每天洗瓶子都要几个小时，电池部件根本见不到，天天就跟各种化学品打交道了，你说说，这种成果万一真被同行剽窃了，人想死不？还是你们学数学的好啊！我就是没那脑子，不然肯定也上数院！”
张师兄感慨了句。
好吧，各行有各行的苦，宁为其实很想跟这位张师兄聊聊学数学的苦，但是想到自己好像没有立场说这些，遂作罢，干脆把话题引入正轨：“张师兄，谭教授这个项目是你们实验室跟凝聚态国家物理实验室合作的？具体是做什么的？需要我做些什么？先听您说说，我也好做个准备。”
张研成答道：“嗯，我们这个项目是利用碳纳米管做热点材料的，具体就是利用定向纳米管生产一种宏观可编制纤维，我们希望能通过它制造一种纺织类热电发生器。具体情况是这样，之前物理实验室那边一次实验意外发现在碳纳米管宏观组装后依然能保持单纳米管的大功率因数。”
“在此之前，普遍认为要实现这一点很难，主要是碳纳米管本身样品形貌差，另外也缺乏适当的费米能量调谐。但那次实验过后，物理实验室认为碳纳米管纤维能够拥有超高的导电性跟导热性，能让其具备极高的ZT值，成为一种近乎完美的热电主动冷却材料。毕竟相对传统的碲化铋、碲化铅、硅锗合金这些材料，碳纳米管更为环保，而且储量丰富嘛，所以我们老板过去谈了谈，两边一拍即合就上马了这个项目。”
“哦！”
宁为点了点头，然后又问道：“不过上次我好想看过一篇文章，说是碳纳米管这种材料如果想要保持纳米级的性能到宏观尺度就目前的情况来看还很难啊。实验室的制备方式根本没法用于工业量产呀，所以就算你们真把这种材料制备出来，现在似乎也用不上吧？”
这个问题明显让身边的张师兄显得有些尴尬，下意识的抬起手摸了摸鼻子，解释道：“咳咳，这个怎么说呢，要不怎么说是前沿材料研究呢，虽然暂时肯定是用不上的，但作为技术储备放在那里，等以后工业基础发展，能量产这种宏观尺度保持特性的定向碳纳米管材料了，也就马上能用上了。”
好吧，宁为决定不再关心应用的问题，继续问道：“那现在出什么问题了？需要我来帮忙？”
“是这样的，为了找出这种材料，我们已经筛选出了四种样品代表碳纳米管的态密度，包括了内壁半导体碳纳米管、内壁金属碳纳米管、外壁半导体碳纳米管跟外壁金属碳纳米管。首先我们需要做光学光谱测量嘛，但是这种相对于纤维态，碳纳米管的尺寸和吸收更适合于光学测量。”
“所以我们通过简易刀片涂层技术，来生产定向碳纳米管薄膜用于光学测量。问题就在这里了，我们使用溶液纺丝法将碳纳米管溶解在CSA中开始，然后生成薄膜。这一过程使用了相同的纳米管原材料，并确保化学处理方式跟纤维处理得完全相同，包括了CSA浓度、掺杂和退火条件等等。”
“但当我们根据光谱测量跟吸收数据带入之前实验室的数据计算并得出结果的时候，都跟我们之前确定的理论模型有极大的差距。同样的实验已经进行了七次，得到的结果跟理论模型的偏离值一直都无法接受。所以我们需要一个数学家，对现有数据进行一些整合，帮我们找一下问题到底出在什么地方。方便我们对实验方向进行调整跟改进。”
张师兄大概的介绍了一遍情况。
宁为点点头波澜不惊的体验着大脑担任翻译官的体验，具体就是将张研成口中那些本该隔行如隔山的专业名词一个个翻译成实验室里的各种手段。
虽然不能说让宁为脑补出整个实验室过程，但起码不至于对人家在实验室里干了什么一无所知。
“哦，退火温度是多少？”宁为随口问了句。
其实这些数据跟他的工作暂时还不相关，但走在路上啥都不聊，显得单调了些。而且张师兄明显没有欣赏四周风景的意思。
这问题到是让张研成诧异的看了宁为一眼，毕竟以往借来的数学博士们满脑子都是各种数学公式，对一些工程学上的名词都不太熟悉更对他们的实验过程不太感兴趣。
“退火温度是用的那边实验室给的数据，分为500℃跟350℃两个批次。”张研成答道。
宁为想了想，又问道：“我记得这类热电材料需要提高ZT值，如果没记错的公式应该是ZT=S^2Tσ/k，对吧？也就是从本质上说，你们认为这种碳纳米管组合应该拥有较高的赛贝尔系数，较高的导电率以及较低的导热率对吧？所以到底是哪点不符合你们预先设立的理论模型？”
“你还研究过热电材料？”张研成眨了眨眼，下意识的放慢了脚步。
毕竟宁为在数学跟计算机算法上的成就太过高大上了，即便他不是学这些专业的，即便他天天泡在实验室里，都免不了日常听到眼前这年轻人的传奇故事。
大四不到一年时间就发了六篇顶刊论文，这效率绝对能让任何一个做学术的人感觉不可思议。而且其中一篇论文让一代数学名宿饮恨医院，一篇论文另辟蹊径解决了世界难题，另外三篇论文，直接牵扯出一个能改变世界的算法，现在实验室出差，机票都比以前好订了，似乎都得感谢眼前这个年轻人。
而现在他还能就材料学跟他扯出个一二三来，这是妖孽么？
“呵呵，这个张师兄，不瞒你说，只是略懂，随便看过几篇文章，千万不敢说研究过。”宁为连忙答道。
“哦，略懂啊。”
张研成恍然的点了点头，然后解释道：“好吧，其实问题就在这里了。理论上来说，你说的没错，以往针对传统热电材料的研究许多都是通过降低导热率来提高ZT值，但我们认为提高功率因数，更为重要。这也是我们这个项目创新的点这一了。我们将功率因数定义为PF=S^2σ，那么功率因数越大，在处理极大热源，比如太阳能或者工业废热的时候就能最大化输出功率密度。”
“另外在主动冷却模式过程中，高导热率又能利用珀耳帖效应提高从热侧到环境的热流率，这在电子热管理应用中很有前景。在这种主动冷却模式下，热量可以通过珀耳帖效应从冷侧泵送到热侧，主动冷却中的最大热侧热流量与有效导热系数κ eff成正比，我们将之定义为κ eff=κ+PF?T2H2ΔT，其中TH是热侧温度，ΔT是两侧之间的温差，这么说你懂了吧？这表明主动冷却需要大κ和大PF，而不是高ZT！”
“其实吧，现在对传统材料的研究已经快到天花板了。比如Bi2Te3跟它的合金，已经表现出了极高的性能。但是那玩意一来有毒啊，二来原材料也比较稀缺，三来要提升刚度非常难了；有机材料也是一个方向，不过我们也研究过有机材料，它们都很难提高其PF值，所以如果我们的项目能够成功，等到工业基础提升，保持微观特性的碳纳米管工业化量产技术出现之后，马上就能有极为广泛的应用。”
好吧，极为详细的解说，宁为已经大概明白了这个项目的意义跟以及张师兄口中的材料理论模型。无非就是提高功率因数的同时，同时提高热导率，不单纯的追求高ZT值的同时，还能让ZT值达到一定优势，满足未来热电材料市场的需求。
唯一没解释的大概就是到底问题在哪，好在没等宁为再追问，实验楼已经到了。
气派的圆柱形实验楼就在新材料学院的教学楼旁边，宁为这才发现来到燕北大学之后，竟然还真没把学校内部好好逛过一圈，比如新材料学院他就从来没有来过。
跟着张师兄走进了实验室才让宁为见识到了国内顶尖大学的真正底蕴。在张师兄的介绍下，宁为如同刘姥姥进大观园般观摩着各个实验室里陈列的那些高精尖实验室设备，什么差示扫描热分析仪，X射线光电子能谱仪，X射线衍射仪，原子力显微镜，比表面积及孔隙度分析仪，显微拉曼光谱测量系统，多通道电化学工作站，高分辨场发射扫描电镜(SEM)，高真空镀膜仪，切割研磨一体机……
通过张师兄的介绍他大概明白了，谭教授经常找田言真帮忙的原因，大概率因为各个项目要使用以上仪器不但要预约，提前申请，而且项目组使用还要收费的，听起来还不太便宜。
比如切割研磨一体机学校内部收费500一小时，如果是外部则是600一小时；又比如使用显微拉曼光谱测量系统内部300一小时，外部要400，如果按个收费，每个样品内部不低于50，外部不低于100。
而且跟宁为想像中不太一样，整个项目组并不是在一个实验室里忙碌，而是分多个实验室在合作进行，张师兄则主要负责统筹整个项目组的运作。
这样想想看，之前进行的七次实验，每次实验都要准备四种样品进行各种处理，这时间跟钱简直就如同流水般花出去……
虽然说这钱实验室赚了肯定还是要用于设备维护以及保持实验室竞争力，根据申请购买新的高端设备，但对于项目组来说，却是切切实实的要拿钱结算的，想想看，也的确挺肉疼。
带着宁为了解了一圈实验室检测中心的各种大型设备，张研成将宁为带到了一间实验室门前：“我们平时主要就是在这里做事了，各种数据资料也保存在这边的电脑里。”
“对了，张师兄，不用我每天也来实验室报道吧？谭教授也说了，我可以拿着数据到研究院那边分析。”宁为说了一句。
“哦，没事，带你来主要是给你看一遍我们完整的测试过程，然后你想去哪做计算都行，就是时间上挺赶的，能尽量快些就最好了。”张研成答道。
田言真判断的果然没错，压根没等到下午，还不到十点半，宁为的电话就响了起来。
“喂，宁博士吧，我姓张，叫张研成，是谭教授的学生，谭导让我来接你去实验室看看，顺便给你介绍下我们的项目，我现在已经在你们研究院门口了，请问你现在有空吗？”
“行，张师兄你稍等两分钟，我马上出来。”挂上电话，宁为又跟鲁东义打了声招呼，便出了研究院，果然一个带着眼镜的老大哥正在研究院门口低头研究着手机。
之所以宁为觉得这是老大哥，垂着头都能看出面容当真显得非常成熟，眉毛向下耸拉着，看着便是一脸苦相。
“张师兄？”宁为叫了声。
“哎呦，宁博士，不好意思啊，正在看刚刚发给我的一组数据。”这位老哥抬起头顺手将手机捅进兜里，热情的冲着宁为伸出手。
跟这位面色凄苦的张师兄握了握手后，张师兄立刻说道：“我们赶紧去实验室吧，路上我给你介绍一下项目情况，等会到了实验室，我给你讲解一下大概情况，数据已经拷贝好了，等会你带回来就行。不过因为这个项目本来就是合作项目，所以在论文发出之前，实验室内的所有数据都是绝对不能对外公开的。”
宁为点了点头道：“这个我懂，保密原则，我们的很多研究成果在没有发表之前也不能对外泄露的。听说你们在发论文前都还要先把论文预印本传到arXiv上，对吧？”
嘴里说着话，宁为发现这位张师兄走路简直跟竞走没差了，他稍微慢点便跟不上这节奏。
“是啊，现在做材料确定了方向能研究的就那些东西，不注意一点，人家把成果拿去还原，还能拿出从头到尾完整的实验室报告，这找谁说理去？而且宁博士你是不知道，搞材料苦啊，我们还算好的，老板拿到的大都还是些比较高端的项目。”
“你是不知道，我们隔壁研究新能源电池的，做催化剂，每天洗瓶子都要几个小时，电池部件根本见不到，天天就跟各种化学品打交道了，你说说，这种成果万一真被同行剽窃了，人想死不？还是你们学数学的好啊！我就是没那脑子，不然肯定也上数院！”
张师兄感慨了句。
好吧，各行有各行的苦，宁为其实很想跟这位张师兄聊聊学数学的苦，但是想到自己好像没有立场说这些，遂作罢，干脆把话题引入正轨：“张师兄，谭教授这个项目是你们实验室跟凝聚态国家物理实验室合作的？具体是做什么的？需要我做些什么？先听您说说，我也好做个准备。”
张研成答道：“嗯，我们这个项目是利用碳纳米管做热点材料的，具体就是利用定向纳米管生产一种宏观可编制纤维，我们希望能通过它制造一种纺织类热电发生器。具体情况是这样，之前物理实验室那边一次实验意外发现在碳纳米管宏观组装后依然能保持单纳米管的大功率因数。”
“在此之前，普遍认为要实现这一点很难，主要是碳纳米管本身样品形貌差，另外也缺乏适当的费米能量调谐。但那次实验过后，物理实验室认为碳纳米管纤维能够拥有超高的导电性跟导热性，能让其具备极高的ZT值，成为一种近乎完美的热电主动冷却材料。毕竟相对传统的碲化铋、碲化铅、硅锗合金这些材料，碳纳米管更为环保，而且储量丰富嘛，所以我们老板过去谈了谈，两边一拍即合就上马了这个项目。”
“哦！”
宁为点了点头，然后又问道：“不过上次我好想看过一篇文章，说是碳纳米管这种材料如果想要保持纳米级的性能到宏观尺度就目前的情况来看还很难啊。实验室的制备方式根本没法用于工业量产呀，所以就算你们真把这种材料制备出来，现在似乎也用不上吧？”
这个问题明显让身边的张师兄显得有些尴尬，下意识的抬起手摸了摸鼻子，解释道：“咳咳，这个怎么说呢，要不怎么说是前沿材料研究呢，虽然暂时肯定是用不上的，但作为技术储备放在那里，等以后工业基础发展，能量产这种宏观尺度保持特性的定向碳纳米管材料了，也就马上能用上了。”
好吧，宁为决定不再关心应用的问题，继续问道：“那现在出什么问题了？需要我来帮忙？”
“是这样的，为了找出这种材料，我们已经筛选出了四种样品代表碳纳米管的态密度，包括了内壁半导体碳纳米管、内壁金属碳纳米管、外壁半导体碳纳米管跟外壁金属碳纳米管。首先我们需要做光学光谱测量嘛，但是这种相对于纤维态，碳纳米管的尺寸和吸收更适合于光学测量。”
“所以我们通过简易刀片涂层技术，来生产定向碳纳米管薄膜用于光学测量。问题就在这里了，我们使用溶液纺丝法将碳纳米管溶解在CSA中开始，然后生成薄膜。这一过程使用了相同的纳米管原材料，并确保化学处理方式跟纤维处理得完全相同，包括了CSA浓度、掺杂和退火条件等等。”
“但当我们根据光谱测量跟吸收数据带入之前实验室的数据计算并得出结果的时候，都跟我们之前确定的理论模型有极大的差距。同样的实验已经进行了七次，得到的结果跟理论模型的偏离值一直都无法接受。所以我们需要一个数学家，对现有数据进行一些整合，帮我们找一下问题到底出在什么地方。方便我们对实验方向进行调整跟改进。”
张师兄大概的介绍了一遍情况。
宁为点点头波澜不惊的体验着大脑担任翻译官的体验，具体就是将张研成口中那些本该隔行如隔山的专业名词一个个翻译成实验室里的各种手段。
虽然不能说让宁为脑补出整个实验室过程，但起码不至于对人家在实验室里干了什么一无所知。
“哦，退火温度是多少？”宁为随口问了句。
其实这些数据跟他的工作暂时还不相关，但走在路上啥都不聊，显得单调了些。而且张师兄明显没有欣赏四周风景的意思。
这问题到是让张研成诧异的看了宁为一眼，毕竟以往借来的数学博士们满脑子都是各种数学公式，对一些工程学上的名词都不太熟悉更对他们的实验过程不太感兴趣。
“退火温度是用的那边实验室给的数据，分为500℃跟350℃两个批次。”张研成答道。
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“你还研究过热电材料？”张研成眨了眨眼，下意识的放慢了脚步。
毕竟宁为在数学跟计算机算法上的成就太过高大上了，即便他不是学这些专业的，即便他天天泡在实验室里，都免不了日常听到眼前这年轻人的传奇故事。
大四不到一年时间就发了六篇顶刊论文，这效率绝对能让任何一个做学术的人感觉不可思议。而且其中一篇论文让一代数学名宿饮恨医院，一篇论文另辟蹊径解决了世界难题，另外三篇论文，直接牵扯出一个能改变世界的算法，现在实验室出差，机票都比以前好订了，似乎都得感谢眼前这个年轻人。
而现在他还能就材料学跟他扯出个一二三来，这是妖孽么？
“呵呵，这个张师兄，不瞒你说，只是略懂，随便看过几篇文章，千万不敢说研究过。”宁为连忙答道。
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张研成恍然的点了点头，然后解释道：“好吧，其实问题就在这里了。理论上来说，你说的没错，以往针对传统热电材料的研究许多都是通过降低导热率来提高ZT值，但我们认为提高功率因数，更为重要。这也是我们这个项目创新的点这一了。我们将功率因数定义为PF=S^2σ，那么功率因数越大，在处理极大热源，比如太阳能或者工业废热的时候就能最大化输出功率密度。”
“另外在主动冷却模式过程中，高导热率又能利用珀耳帖效应提高从热侧到环境的热流率，这在电子热管理应用中很有前景。在这种主动冷却模式下，热量可以通过珀耳帖效应从冷侧泵送到热侧，主动冷却中的最大热侧热流量与有效导热系数κ eff成正比，我们将之定义为κ eff=κ+PF?T2H2ΔT，其中TH是热侧温度，ΔT是两侧之间的温差，这么说你懂了吧？这表明主动冷却需要大κ和大PF，而不是高ZT！”
“其实吧，现在对传统材料的研究已经快到天花板了。比如Bi2Te3跟它的合金，已经表现出了极高的性能。但是那玩意一来有毒啊，二来原材料也比较稀缺，三来要提升刚度非常难了；有机材料也是一个方向，不过我们也研究过有机材料，它们都很难提高其PF值，所以如果我们的项目能够成功，等到工业基础提升，保持微观特性的碳纳米管工业化量产技术出现之后，马上就能有极为广泛的应用。”
好吧，极为详细的解说，宁为已经大概明白了这个项目的意义跟以及张师兄口中的材料理论模型。无非就是提高功率因数的同时，同时提高热导率，不单纯的追求高ZT值的同时，还能让ZT值达到一定优势，满足未来热电材料市场的需求。
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跟着张师兄走进了实验室才让宁为见识到了国内顶尖大学的真正底蕴。在张师兄的介绍下，宁为如同刘姥姥进大观园般观摩着各个实验室里陈列的那些高精尖实验室设备，什么差示扫描热分析仪，X射线光电子能谱仪，X射线衍射仪，原子力显微镜，比表面积及孔隙度分析仪，显微拉曼光谱测量系统，多通道电化学工作站，高分辨场发射扫描电镜(SEM)，高真空镀膜仪，切割研磨一体机……
通过张师兄的介绍他大概明白了，谭教授经常找田言真帮忙的原因，大概率因为各个项目要使用以上仪器不但要预约，提前申请，而且项目组使用还要收费的，听起来还不太便宜。
比如切割研磨一体机学校内部收费500一小时，如果是外部则是600一小时；又比如使用显微拉曼光谱测量系统内部300一小时，外部要400，如果按个收费，每个样品内部不低于50，外部不低于100。
而且跟宁为想像中不太一样，整个项目组并不是在一个实验室里忙碌，而是分多个实验室在合作进行，张师兄则主要负责统筹整个项目组的运作。
这样想想看，之前进行的七次实验，每次实验都要准备四种样品进行各种处理，这时间跟钱简直就如同流水般花出去……
虽然说这钱实验室赚了肯定还是要用于设备维护以及保持实验室竞争力，根据申请购买新的高端设备，但对于项目组来说，却是切切实实的要拿钱结算的，想想看，也的确挺肉疼。
带着宁为了解了一圈实验室检测中心的各种大型设备，张研成将宁为带到了一间实验室门前：“我们平时主要就是在这里做事了，各种数据资料也保存在这边的电脑里。”
“对了，张师兄，不用我每天也来实验室报道吧？谭教授也说了，我可以拿着数据到研究院那边分析。”宁为说了一句。
“哦，没事，带你来主要是给你看一遍我们完整的测试过程，然后你想去哪做计算都行，就是时间上挺赶的，能尽量快些就最好了。”张研成答道。