纳米级发电厂：用石墨烯带将热能转化为电能

  量子物理学家米卡埃尔-佩林（Mickael Perrin）利用石墨烯带建造纳米级发电厂，将电气设备的废热转化为电力。。12 年前，当米卡埃尔-佩兰开始自己的科学生涯时，他根本不清楚自己所从事的研究领域几年后才会引起公众的广泛兴趣：量子电子学。

  他回忆说：当时，物理学家们起步谈论量子技术和量子计算机的潜力。如今，这一领域已有数十家初创公司，各国政府和公司正投资数十亿美元进一步开发这项技术。我们现在看到了计算机科学、密码学、通信和传感器领域的首批应用。

  佩林的研究开辟了另一个应用领域：利用量子效应发电，能量损失几乎为零。为实现这一目标，这位 36 岁的科学家结合了物理学中两个通常独立的学科：热力学和量子力学。

  去年，佩兰的研究质量及其未来应用潜力为他带来了两项殊荣：他不仅获得了年轻研究人员梦寐以求的欧洲研究理事会启动基金之一，还获得了瑞士国家科学基金会 (SNS)F 的 Eccellenza 教授奖学金。现在，他在 Empa 领导一个九人研究小组，同时还是苏黎世联邦理工学院量子电子学助理教授。

  在阿姆斯特丹读完高中后，他于 2005 年开始在代尔夫特理工大学攻读应用物理学学位。从一开始，Perrin 就对具体应用比理论更感兴趣。

  正是在师从量子电子学领域的先驱 Herre van der Zant 时，佩兰第一次体验到了微米级和纳米级微小器件工程的魅力。他很快就意识到分子电子学带来的无限可能性，因为根据所选分子和材料的不同，电路具有完全不同的特性，可以用作晶体管、二极管或传感器。

  在攻读博士学位期间，佩林在代尔夫特理工大学的纳米实验室洁净室里度过了大量时光--全身始终笼罩在白色的罩子里，以防止毛发或灰尘颗粒污染微型电子设备。洁净室为制造几纳米大小的机器提供了技术基础（比人的头发直径小约 1 万倍）。

  佩兰解释说：一般来说，你想建造的结构越小，你所需要的机器就越大、越贵。例如，光刻机用于在微芯片上绘制复杂的微型电路图案。纳米加工和实验物理学需要大量的创造力和耐心，因为几乎总会出错。然而，奇怪和意想不到的结果往往最令人兴奋。

  博士毕业一年后，佩兰在米歇尔-卡拉梅（Michel Calame）的实验室获得了一个职位。从那时起，拥有法国和瑞士双重国籍的他就与伴侣和两个女儿居住在杜本多夫。

  在 Empa，这位年轻的研究员能自由地接着来进行纳米材料实验。一种材料很快引起了他的格外的注意：石墨烯纳米带，一种由碳原子制成的材料，其厚度与单个原子一样薄。这些纳米带是由 Roman Fasel 在 Empa 的研究小组以最高精度制造的。佩林能够证明这些纳米带具有独特的性能，可用于一系列量子技术。

  与此同时，他开始重视将热能转化为电能。2018 年，事实上量子效应可用于将热能有效地转化为电能。

  迄今为止，问题就在于这些理想的物理特性只出现在极低的温度下--接近绝对零度（0 开尔文；-273°C）。这与智能手机或微型传感器等未来潜在应用关系不大。佩林想到了利用石墨烯纳米带来规避这一问题。与其他材料相比，石墨烯纳米带的特殊物理特性意味着温度对量子效应的影响要小得多，因此也就更容易产生理想的热电效应。

  他在 Empa 的研究小组很快就证明，石墨烯纳米带的量子效应即使在 250 开尔文（即零下 23 摄氏度）的环境下也基本保持不变。未来，该系统有望在室温下也能工作。

  要使我们的智能手机使用更少的电能，还有许多挑战需要克服。极度微型化意味着不断需要特殊元件，以确保内置系统能够真正工作。

  佩林与来自中国、英国和瑞士的同事最近一同研究发现，直径仅为一纳米的碳纳米管可当作电极集成到这些系统中。不过，佩林估计，至少还需要 15 年的时间才能大规模制造出这些精致而高度复杂的材料，并将其集成到设备中。

  我的目标是研究出应用这项技术的基本依据。只有这样，我们才可以评估其实际应用的潜力。