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TMS年輕領袖獎得主 吳欣潔研究用廢熱發電

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吳欣潔(右一)與學生合照。圖中學生正以氫氧焰燒熔石英,製作合成材料時要用的石英管。圖/吳欣潔提供。

中山大學材料與光電科系助理教授吳欣潔獲得「美國礦物金屬材料學會」(The Minerals, Metals & Materials Society, TMS)2015年度的「年輕領袖獎」(Young Leader Professional Development Award)。此獎項頒發給40歲以下、學術生涯剛起步,但深具潛力成為材料與工程領域未來領袖的研究者。

吳欣潔剛到中山大學任教一年,研究專長為熱電材料、相圖計算與量測、金屬生醫材料、材料熱力學。吳欣潔大學時期主修化工,後來轉到材料領域,「當時我也還沒有很篤定自己想作什麼,就用刪去法把自己不擅長的、不想要的刪除。」吳欣潔喜歡作實驗,近來專注研究熱電材料,在實驗室合成出一些東西,讓她覺得有實際在創生些什麼的踏實感與成就感:「(實驗過程)變化很大,不會無聊!」

熱電材料基本上以半導體材料為主,可使「熱」與「電」相互轉換,「碲化鉍(Bi2Te3)」與「碲化鉛(PbTe)」是目前最常用的兩種材料。熱電材料的發電原理是利用「溫差」,P型和N型半導體上的電洞、電子都會往低溫處跑,將P型與N型半導體排列形成迴路,於兩端施加溫差,半導體上的多數載子(即電洞與電子)會往低溫處跑,如此一來,電子與電洞濃度不同便會產生電位差而出現電流;另一方面,將熱電的原理「倒過來」,通電流給它,也能讓半導體的電子與電洞往同一端跑,產生溫差,延伸製為致冷器。換言之,熱電發電與熱電致冷是一體兩面,前者是施以溫差以產生電流,後者是施以電流產生溫差。

「各種能源產生的電力只有40%真的拿來用,其餘60%皆以廢熱形式逸散到大氣中。」吳欣潔說,如此大量的能量消耗讓溫室效應加劇,其中工廠是最大宗的廢熱來源。目前熱電發電的轉換效率約在10%至15%之間,跟太陽能差不多,回收工廠與汽機車引擎的廢熱是熱電材料最具潛力的應用,未來克服轉換效率低的瓶頸後就大有可為,若能抓回一半以上的廢熱,就能大幅減緩能源消耗與環境負擔。

太空任務也是熱電材料應用場域,當探測器離太陽太遠,無法靠太陽能發電時,就換熱電材料上場。目前在火星上「場勘」、執行任務的漫遊車「好奇號」(Curiosity)就採用「放射性同位素熱電式發電機」(radioisotope thermoelectric generator, RTG ),在核反應器周圍貼上熱電元件,藉以供應電力,廢熱還能為漫遊車的一些部位保暖。吳欣潔說,熱電材料是全固態,相當安全,不會像鋰電池充放電循環後,容易產生體積膨脹問題。

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好奇號在火星上的模擬圖,好奇號最後端的黑色柱狀物即為RTG。photo credit:wiki。

熱電材料也已進入民生用途,有手錶安裝熱電元件,利用人體體溫與環境的溫差發電,驅動手錶;若以熱電材料作為致冷器,因為不需要壓縮機,所以產品體積可大幅縮小,用於車上的小冰箱或紅酒櫃。

熱電材料深具前瞻性,但在台灣,相對於太陽能或電子材料,熱電材料是較少人投入的領域,除了吳欣潔,研究者主要集中於清華大學、工研院與中研院。吳欣潔解釋:「因為熱電材料知識範圍跨得很廣。」分析電與熱的傳導性質,需要結合固態物理、化學、材料學門的知識,而大型研究機構較有能力讓跨領域的人才聚在一起。歐洲因再生能源發展得早,所以熱電材料相關研究相當盛行;亞洲則近十年才開始投入熱電材料研發。

吳欣潔的國際學術交流經驗豐富,自學生時期就每年赴美國參加TMS的年會,也曾於加州理工學院交換,那段經驗讓她印象深刻。她形容那是個很純粹的環境,集合了世界各地對研究抱著高度熱忱的學者,「學生與研究人員唯一的工作就是作研究!」遇到問題時,與別人討論便有很大幫助,那種切中要點又高效率的氛圍讓吳欣潔記憶猶新。曾有一次,她合成的材料總有許多孔洞,也產生奇特的微結構,不知如何解釋,那是論文最重要的部分,吳欣潔為此膠著了一陣子,結果與一位日本科學家聊天後豁然開朗,一兩週內就改善了合成材料性質、完成論文。

就吳欣潔個人觀察,近年在國際學術交流場合可明顯感受到中國崛起,「像今年我去TMS的時候,同桌的10個有8個是中國人。」她說,中國投入的龐大資源是我們難以比較的,不過,她認為台灣學生較有底子,也較聰明,「再多點努力和積極就會很厲害!」對於想要從事學術研究的學生,她也說,實驗室裡常會充滿挫折,這是研究必經之路,若真的想踏上學術之路,她的建議是:「就學著樂觀一點吧!」

註: TMS學會前身可追溯至1871年,涵蓋金屬、材料與工程領域,基礎科學研究、材料初步開發到前瞻應用各階段,都是其關注範圍。TMS學會現今擁有來自70多個國家、12000位以上的專家與學者會員。

關於作者

劉珈均

PanSci 特約記者。大學時期主修新聞,嚮往能上山下海跑採訪,因緣際會接觸科學新聞後就不想離開了。生活總是在熬夜,不是趕稿就是在屋頂看星星,一邊想像是否有外星人也朝著地球方向看過來。