骇人命案事件簿第七季

　　 　　“好奇心号”火星探查车，图像源：NASA 　　执笔|李研 　　吕浩然 　　 　　宇宙广大，星汉熠熠生辉。几千年来，人们一直对地球以外的世界充满着好奇心。随着20世纪中叶宇宙技术的兴起和不断发展，人类太空探索的脚步越来越远了。 　　其中，动力系统是宇宙探测器的重要组成部分。我们开着电动车在平坦的道路上行驶。不充电的话，只能走几百公里。但是，10年前成功着陆的“好奇心号”火星探查车至今仍在险峻的火星表面上顺利运行。“好奇心号”重约900公斤，搭载了多台机器，但是我们所熟知的太阳能电池板却看不见。探查车行走时，可以消耗大量的能量，化学电池不能满足这么长时间的电需求，既然没有太阳能的助力，那么其动力来源是什么？ 　　有这个问题，请理解作为非常稀少的化学元素的氩。 　　“最难缩短寿命”的放射性同位素 　　 　　碲的元素符号是Te，在元素周期表中属于VIA族，氧，硫同族，原子序数52，原子质量127.6。理论上，锆位于周期表中金属和非金属元素之间的边界，理论上属于非金属，但其外观与金属相似，是重要的半导体材料。 　　 　　 　　黄色折线是金属和非金属元素的边界，灰色高亮区域中的硼、硅、天竺葵、砷、锑、氩等元素在金属和非金属之间，通常被称为金属（Metalloid）。左上角是直径3.5cm的特尔硬币，图像来源：Wikipedia 　　除了兼具金属和非金属的特性之外，在仰光中还有一些异常之处。例如，原子量比原子序数还大。锆的原子量是127.6，碘只不过是126.9。出现这种“逆转”现象是由于同位素丰度的差异。 　　在自然界中存在的碲，稳定的同位素（主要是Te）仅占三分之一，其他三分之二主要是质量大于放射性同位素Te和Te。听起来有点可怕，锆危险吗？实际上，氩的放射性同位素比例较高，但它们的半衰期惊人地长。这里Te是8.2× 10年，Te的半衰期又达到了2.2个。× 10年，所有元素的放射性同位素中“最难缩短寿命”。根据半衰期的推算，1g纯Te经过600多年，一个原子Te衰减。所以天然的氩矿石的放射性非常弱，不会给人造成放射线的损害。 　　 　　地壳中各种元素的含量：我们可以在黄色的“最稀有元素”区域中发现像白金（Pt）和金（Au）这样的“贵金属”元素，泰尔作为唯一的“非金属”也在其中。图片来源：维基百科 　　在广阔的宇宙中，仰光并不稀奇，但是在地球上，仰光竟然和许多贵金属一样成为非常稀少的固体元素，地壳的约10亿个原子中只有一个仰光原子。究其原因，推测地球形成初期氧气和水不足的情况下，碲与自由氢结合，形成易挥发的碲化氢（HTe）气体，大量的碲元素离开地球表面进入宇宙。由于同样的原因而损失的是碲和同族的硒元素（Se）。因此，它们的地壳中的含量明显低于元素周期表的左侧右侧建筑，很难发现氩的单质矿物储藏。但是，发现仰光的时间并不晚。这多亏了弗朗茨・约瑟夫・穆勒（Franz-Joseph Müller）的奥地利矿物学家。 　　封条的论文 　　 　　1782年，穆勒担任奥地利特兰西巴尼亚地区（Transylvania，现在是罗马尼亚）的矿场监督官，获得了独特的矿石。这个矿石的外观大部分是银灰色，中间夹杂着金黄色，银灰色的部分和锑相似，所以当时也被称为“锑金”。 　　 　　锆石，照片来源：fabreaminerals。com 　　穆勒不是“以形式取石”，而是将矿石带回实验室进行研究。发现加热矿石的银灰色部分会产生白烟味道的臭萝卜。与硫酸反应生成红色溶液，溶于水也可以得到黑色沉淀，但是这些和锑的化学性质有很大的不同。因此，穆勒很可能在矿石中含有金和其他未知的金属，并建议这种新物质同时具有金属和非金属的特性。例如，金属有光泽，但是在常温下质地很脆，所以这种新物质被称为“auruum paradoxum”，意为“异常/非逻辑性的金（元素）”。 　　1783年穆勒把他变成“异常金属”“很多观察和实验都总结成了多篇论文，遗憾的是，他把这些论文发表在了完全不为人所知的德语专业的学期杂志上。现在看来，即使是没有影响力的定期刊物，至少也可以在网上检索。但是，200多年前他没有选择定期刊物那么，论文也许真的进入了废纸堆里。因为期刊太小，他的文章发表后，几乎没有人感兴趣。 　　 　　纪念在奥地利发行的弗朗茨・约瑟夫・穆勒的邮票，照片来源：colnect。com 　　几年后，令人懊悔的穆勒把矿石的样品送给了德国的化学家克拉普托（Martin Heinrich Klaproth）。1798年1月，克拉普托在柏林科学院宣读了穆勒的论文。到了这个时候，关于被封存了16年的特兰西巴尼亚矿石的研究再次受到关注。 　　克拉普托自己经过实验，确认了这个“异常金属”是新的元素，命名为Te，特拉尔，语根“tellus”的原意是“地球”。他没有贪图名誉，之后又发表了好几次声明。穆勒才是阿尔冈的第一个发现者。 　　 　　马丁·海因里希·克拉普托（Martin Heinrich Klaproth，1743-1817）是普鲁士王国的化学家。他不仅推动了发现仰光元素，还发现了仰光（1787年）、铀（1789年）、钛（1795年）、仰光（1803年）等元素，照片来源：维基百科 　　支撑新能源的元素 　　 　　泰尔早在1950年代后半期就被发现为具有工业实用价值的元素。传统上，锆多用于冶金工业，是一些金属合金的“强壮剂”，只要在这些合金上加入少量的锆，就能大大提高它们的机械强度和加工性能。例如，在金属铜中添加锆的话，铜的机械加工性能和耐腐蚀性显著改善。特尔尔在10多年前也被广泛用于反复读写光盘（CD-R、DVD-R）的制造。 　　 　　可重写光盘的记录层（带有镭光泽）是由锗、锑、锆合金制成的，图像源：Wikipedia 　　现在，随着新能源和高科技产业的蓬勃发展，氩的主要应用领域正在扩大。例如，电动汽车的充电桩接触材料要求电弧电阻，但由于其优异的电气性能和易于加工的特性，因此特别适用于电动汽车的充电桩连接器。在新能源领域，氩在光电转换和热电转换材料中起着更重要的作用。因此，原本稀有的氩元素被美国化学会列为本世纪面临严重不足风险的元素，是重要的战略原料。 　　 　　2019年世界泰尔消费行业比例、数据源：华经信息网 　　“挂在墙上的油田” 　　 　　说起太阳光发电和太阳光发电技术，很容易联想到硅。实际上，晶体硅只不过是许多太阳能电池中的一个，以碲化镉（CdTe）为代表的薄膜太阳能电池是继晶体硅电池之后的下一代太阳能发电技术。 　　碲化镉薄膜太阳电池是以P型碲化镉半导体为吸收层材料的太阳电池。碲化镉半导体的禁止带宽约为1.45eV，与太阳光谱非常吻合，具有较高的光吸收系数。光电转换效率是测量太阳能电池性能的重要技术指标，目前报道的氩化镉薄膜电池的最高效率接近22%，略低于晶体硅的24%。 　　那么，问题是，既然氩是地球上埋藏量最少的元素之一，光电转化效率就不是最好的。用那个制造太阳光面板划算吗。 　　实际上，锆化镉薄膜电池具有与其他太阳能电池无法相比的优点。 　　锆化镉薄膜电池是在玻璃或其他柔性基板上依次沉积多层薄膜而形成的光伏元件。构造简单，活性层的使用量少，制造着比结晶硅和其他材料耗能大的太阳电池。实现大规模量产的太阳能电池中，氩化镉薄膜的能量返回时间最短，“碳足迹”（生产过程中排出的温室效应气体的合计）也是最小的。 　　 　　晶硅太阳能电池（a）和锆化镉薄膜电池（b）的结构和各成分所占的质量百分比。与两者相比，锆化镉薄膜电池的结构更简单，成本更低，图像源：参考文献[5] 　　锆化镉电池所需的吸光层非常薄，即使是用普通的玻璃涂上几微米厚度的锆化镉膜后，也不仅可以透过光，还可以从绝缘体变成光发电的半导体材料。这为现代建筑和清洁太阳能发电能源跨越国界的融合创造了条件。在现代都市的办公楼，墙壁的主体构造大多是窗帘玻璃。如果将传统的幕墙玻璃换成这样的“发电玻璃”，可以大大降低建筑物对外部能源的需求。1平方米的碲化镉玻璃每年可发电100~200度，数千片玻璃产生的电力量，理论上相当于普通油井年间油转化的发电量，也可以说是“挂在墙上的油田”[15]。 　　 　　在被“丝带”状曲面玻璃幕墙包围的国家速滑馆，大量使用特尔化镉薄膜“发电玻璃”作为建筑材料，照片来源：维基百科 　　不仅如此，如果以聚酰亚胺等柔性材料为基础，则锆化镉太阳能电池也可以作为轻量可折弯的柔性薄膜来制造。这个方便的“轻量级”太阳电池，可以降低运输和搭载的成本，对太阳能无人机、宇宙机、人造卫星肯定有光明的应用前景。 　　 　　轻量可弯曲的柔性镉化镉薄膜太阳能电池、图像源：参考文献[6] 　　由于以上原因，锆化镉在激烈的太阳能发电技术竞争中崭露头角，成为仅次于硅的世界第2位常用太阳能电池材料。 　　温度差也能发电 　　 　　除了光能以外，汽车的引擎、工厂的锅炉、机器的运转所散发出的热量等，被废弃的热能在生活中还有很多。如果能很好地利用这些低质量的热，是相当的能源。 　　1823年，德国人Sebeck（Thomas Johann Seebeck）发现材料两端的温差可以产生电压，这为热和电之间的直接能量转换提供了理论依据。 　　 　　图象源：Wikipedia 　　热电材料的基本功能是当材料的一侧被加热时，自发产生电能。一种良好的热电材料必须满足两个要求，一方面尽可能地导电，另一方面必须尽可能减少传热量。这使得电子能够顺利通过并且有效地保持温度梯度。然而，导电率通常与导热率互补，导电率高的材料的导热率也高。因此，在很多材料中，能够实现有效的热电转换的只有少数。其中，含有碲的半导体，特别是特尔化铋（BiTe）不仅热电转换效率高，而且在室温范围内性能优良，是目前最广泛应用的热电材料。 　　 　　碲化铋一般通过掺杂锑或硒元素形成P型碲化铋或N型碲化铋，并应用于热电转换元件，图像源：参考文献[10] 　　热电转换技术可以不使用机械运动部件而将热能转换成电能，这不仅有助于应对目前日益严重的环境污染和能源危机，而且对太空探测也有特别重要的意义。 　　让我们回到开头的“好奇心号”火星探查车的动力源吧。该探索车不依赖太阳能，能在环境极为恶劣的火星表面上顺利运行的，依赖于被称为“放射性同位素温差发电”的技术。 　　 　　“好奇心号”火星探测车的动力部分由RTG提供，所使用的放射性同位素是钚-238（plutonium-238），热电转换依赖于碲化铅（PbTe）/TAGS热电偶，其中TAGS是结合了碲（Te）、银（Ag）、锗（Ge）、锑（Sb）的半导体材料，图像源：参考文献[11-12] 　　宇宙探索任务可能位于太阳的影子区域，因为光的照射严重环境温度过低，限制了化学电池和太阳能电源的使用。另一方面，由于诸如氩合金之类的热电材料，同位素温差电池可以通过放射性元素的衰减将热能直接转换成电能。这相当于体积不大、寿命长、值得信赖的“原子能电池”，一定是理想的动力源。 　　从上世纪中叶开始，美国先后将同位素温差发电机作为电源使用在近50个的宇宙飞机、巡查器、外星探查车上。其中，美国的“旅行者1号”行星探测器创下了世界宇宙远航史上的辉煌纪录。现在是距离地球最远（近200亿公里的飞行），也是离开太阳系的第一架人造飞机。如果设置同位素温差发电机的话，可以保证旅行者号上搭载的科学机器能够运行到2025年。 　　我国2018年发射的嫦娥4号月球着陆探测器也配备有同位素温差电源。不仅是月球车的长期供应，还起到了“保温”极寒月夜搭载的精密机器的作用。 　　 　　“嫦娥4号”的月球探测器是由“玉兔2号”的月球车拍摄的，照片来源于Wikipedia 　　宇宙：千里之眼 　　 　　在宇宙探索中，氩的应用不仅在光电和热电转换领域，在宇宙红外探测中也起着重要的作用。红外探测在太空探测中具有特别重要的意义。因为紫外线和可见光容易被宇宙的尘埃遮蔽。高灵敏度的红外宇宙望远镜在宇宙中可以看到更远的地方。 　　为了获得高性能红外望远镜，选择适当的高质量探测材料是重要的。特尔化铅（PbTe）、特尔尔水银镉（HgCdTe）和锡特尔化锡（SnTe）等特尔尔合金材料是适于制造夜光镜、红外遥感和红外雷达的材料。特别是1958年发现的三元合金半导体HgCdTe（x 　　詹姆斯·韦伯宇宙望远镜，照片来源：aasnova。org 　　韦伯望远镜具有强大的红外成像和光谱分析能力。在巨大的镜面后面有各种设备组件，为了使韦伯望远镜具有更高的红外探测灵敏度，研究开发小组倾注了非常多的心血。其中，近红外相机由亚利桑那大学和洛克希马丁公司共同建造，相机中的10个氩水银镉检测器完美覆盖了0.6-5个。μm的近红外波长范围有助于观察望远镜更多并且更旧的恒星和星系。 　　 　　韦伯望远镜采用近红外照相机2048×2048 HgCdTe焦点平面阵列、图像源：参考文献[14] 　　以上，虽然氩元素还不为人所知，但它在很多领域都起着重要的作用。它帮助人类实现开拓外星的雄心壮志，也协助应对地球上日益严重的能源危机。伴随着科学技术的革新和资源的合理利用，我希望世界各国携手走向未来的可持续发展之路。其中合理利用仰光元素将是重要的一环。 　　参考文献： 　　[1] Curiosity rover：https://en.wikipedia.org/wiki/Curiosity_(rover) 　　[2] Tellurium：https://en.wikipedia.org/wiki/Tellurium 　　[3] Ossi Horovitz, MÜLLER VON REICHENSTEIN AND THE TELLURIUM, https://www.researchgate.net/publication/271645524 　　[4] von Reichenstein, F.J.M. (1783). "Versuche mit dem in der Grube Mariahilf in dem Gebirge Fazeby bey Zalathna vorkommenden vermeinten gediegenen Spiesglanzkönig".(in German). 1783 (1.Quartal): 63–69. 　　[5] Thomas Maani et al. Environmental impacts of recycling crystalline silicon (c-SI) and cadmium telluride (CDTE) solar panels.. 735: 138827 doi:10.1016/j.scitotenv.2020.138827 (2020) 　　[6] Kranz, L. et al. Doping of polycrystalline CdTe for high-efficiency solar cells on flexible metal foil.. 4:2306 doi: 10.1038/ncomms3306 (2013). 　　[7] Julian Christoph Perrenoud, Low Temperature Grown CdTe Thin Film Solar Cells for the Application on Flexible Substrates, PhD dissertation. 　　[8]董瑞青、镉化镉薄膜太阳能电池产业的发展现状：http://www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=7911 　　[9] Thomas Johann Seebeck: https://en.wikipedia.org/wiki/Thomas_Johann_Seebeck 　　[10] Muhammad Usman Ghani et al. Future Impact of Thermoelectric Devices for Deriving Electricity by Waste Heat Recovery from IC Engine Exhaust. DOI: 10.24081/nijesr.2016.1.0016 　　[11]罗洪义等正在进行深空探测的钚-238同位素电源、2020、7（1）：61 　　[12] Robert L. Cataldo and Gary L. Bennett；U.S. Space Radioisotope Power Systems and Applications: Past, Present and Future. 　　[13]牛场磊等深空探测先进电源技术概要、2020、7 　　[14]蔡毅、锆镉汞探测器的回顾和展望，2022、51 　　[15]国际能源网：“给予太阳光就会发光”的碲化镉“发电玻璃”：https://www.in-en.com/article/html/energy-2297874.shtml 　　制版编辑 　　转载内容只代表作者的观点 　　不代表中科院物理所的立场 　　需要转载的话请联系原来的公众号 　　出典：犀牛 　　编辑：乐子超人