矿物质玻璃 科普 ‖ 神奇的矿物热电性

作者简介

沈俊峰，教授，中国地质大学(北京)

罗地质出版社副总编

注:原文发表于《矿物岩石地球化学公报2019-4》

在生活中，由于各种物理性质，矿物质被广泛用于人们的食物、住所、使用和运输。比如豆腐中加入的石膏是一种矿物，作为药物载体的蒙脱石是一种矿物，建筑水泥中的硅酸钙是一种矿物，牙膏中加入的伊利石是一种矿物，建筑汽车、船舶的钢铁合金也是矿物。但是有些矿物有特殊的物理性质，比如热释电，却很少有人知道，根据这种性质开发的日常功能材料也鲜为人知。

矿物的热电性是指某些矿物在给定的温差环境下带电。也就是说，一些矿物在存在温差的情况下，可以将热能转化为电能，进而也可以将电能转化为热能。

矿物产生热电性的原理是半导体矿物在温差作用下能发生正负电荷分化，即极化，从而表现出电势，称为热电性。

这种神奇的矿物属性不是所有矿物都具备的，而是某些矿物的专属属性。从目前的研究结果来看，60多种天然矿物都具有这种特殊性质，有几十种合成矿物晶体，如碲化镉、碲化铅、碲化铋等，是目前热电转换效率高的矿物材料。

新一代高温计(可以原位测试半导体矿物的热释电特性)大大提高了测试精度，大大降低了测试成本。

热电是一种神奇的矿物质，在我们的生产和生活中有许多用途。这里有三个小故事来解释神奇的矿物热电及其用途。

01

热电玻璃

我们知道建筑物的窗户装有玻璃，用于挡风遮雨、照明和保暖。经过多年的努力，中国科学家研制出了除上述功能外还能发电的玻璃，称为发电玻璃或热电玻璃。也就是说，碲化镉等矿物薄膜巧妙地复合在(玻璃)上，使(玻璃)可以将照射在上面的太阳光转化为电流。目前国内新建的热电玻璃工业生产线可生产最大单片面积1.92 ㎡，重量约30kg，年发电量260 ~ 270的热电玻璃产品。每55秒钟就可以生产一个这样的成品玻璃。因为以后可以代替石油作为动力来源，有人称之为挂在墙上的油田。可以预见，在不久的将来，我们可以用这种发电玻璃生产清洁能源。

热电玻璃是一种新型的热电材料，可以将太阳能转化为电能(清洁能源)，未来可以替代石油燃料取暖，可以称之为挂在墙上的油田。目前热电玻璃的产能是每55秒生产一块1m2的热电玻璃。

02

热电地震

地震经常给人们的生命财产带来无法估量的损失。目前，人类仍然无法准确预测地震的发生，因为震源一般在地下几十公里处。然而，经过几十年的观察和研究，我们对地震的一些前兆现象有了更深入的了解。其中，电异常和磁异常被认为是重要的地震前兆异常，也是地震预报的重要判据。然而，震前地电异常的机制仍处于讨论阶段。许多科学家提出了模型(压电效应)和(渗流效应)来解释地震地电异常的机理，但都不尽如人意。最近，根据热电矿物的研究，提出了一种新的模型(热电效应)，它似乎更合理地解释了地震地电异常的机制，模拟结果也表明它与观测到的地震情况属于同一数量级。广泛存在于地壳中的磁铁矿、石墨等热电矿物，以及在地球深部发现的高温高压矿物硅铁，为利用(热电效应)模型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，可以在地震电磁前兆异常研究中发挥重要作用。

天然矿物的热电性，或天然地震地电引起前兆异常的机制。

03

热电勘探

利用与金密切相关的黄铁矿的热释电特征，可以很好地预测金矿的深部找矿潜力。对于脉型热液金矿床，存在“矿床/体上部黄铁矿为P导电型，下部黄铁矿为N导电型”的规律，可以指示深部找矿前景。

总之，矿物的热电性是矿物的神奇属性之一，它的魔力在未来人类的生产生活中一定会发挥更重要的作用。