洛杉矶加州大学丽莎·加里贝 这张电子显微镜图像显示冷却器的两个半导体——一个碲化铋薄片和一个碲化锑铋薄片——重叠在中间的黑暗区域，这是大部分冷却发生的地方
小“点”是铟纳米粒子，研究小组将其用作温度计
信用:加州大学洛杉矶分校/里根集团 你如何让世界上最小的苏打水保持冰凉？加州大学洛杉矶分校的科学家可能找到了答案
由加州大学洛杉矶分校物理学教授克里斯·雷根领导的一个团队成功地制造出只有100纳米厚的热电冷却器——大约十亿分之一米——并开发出一种创新的新技术来测量它们的冷却性能
“我们制造了世界上最小的冰箱，”里根说，他是最近发表在《美国化学学会纳米》杂志上的一篇论文的主要作者
需要明确的是，这些微型设备不是日常意义上的冰箱——没有门或保鲜盒抽屉
但在更大的范围内，同样的技术被用于冷却计算机和其他电子设备，调节光纤网络的温度，减少高端望远镜和数码相机的图像“噪音”
什么是热电装置，它们是如何工作的？ 通过在金属化板之间夹入两种不同的半导体制成，这些器件以两种方式工作
加热时，一边变热，另一边保持凉爽；温差可以用来发电
例如，美国国家航空航天局旅行者号宇宙飞船上的科学仪器，40年来一直由包裹在产热钚周围的热电装置供电
将来，类似的装置可能会被用来帮助从汽车尾气中获取热量来驱动空调
但是这个过程也可以反过来进行
当电流施加到该装置上时，一侧变热，另一侧变冷，使其能够用作冷却器或冰箱
这项技术有朝一日可能会取代你冰箱里的蒸汽压缩系统，让你现实生活中的汽水变冷
一种标准的热电装置，由夹在金属化板之间的两种半导体材料制成
信用:维基共享 加州大学洛杉矶分校团队做了什么 为了制造热电冷却器，里根的团队，包括六名加州大学洛杉矶分校的本科生，使用了两种标准的半导体材料:碲化铋和碲化锑铋
他们将普通的透明胶带粘在大块的传统散装材料上，将其剥离，然后从仍然粘在胶带上的材料上收获薄的单囊薄片
用这些薄片，他们制造出只有100纳米厚的功能器件，总有效体积约为1立方微米，肉眼看不见
从这个微小的体积来看:你的指甲每秒钟生长数千立方微米
如果你的表皮在制造这些微型冷却器，而不是手指甲，那么每个手指每秒就会制造出5000多个设备
“我们以一万多倍的速度打破了世界上最小的热电冷却器的记录，”该论文的作者之一、里根研究小组的前本科生凌说
尽管热电装置由于其尺寸小、缺少运动部件和可靠性等优点而被用于利基应用，但与传统的基于压缩的系统相比，其效率较低，这阻碍了该技术的广泛采用
简而言之，在更大的范围内，热电装置还不能产生足够的电能，或者保持足够冷
但通过关注纳米结构——至少一维在1至100纳米范围内的器件——里根和他的团队希望发现合成性能更好的块体材料的新方法
高性能热电冷却器中的材料所追求的特性是良好的导电性和差的导热性，但是这些特性几乎总是相互排斥的
然而，一个成功的组合可能会出现在雷根团队创造的几乎二维的结构中
该团队纳米级“冰箱”的另一个显著特征是，它几乎可以立即做出反应
里根说:“它的体积小，比体积为1毫米立方的冰箱快数百万倍，这已经比你厨房里的冰箱快数百万倍了。”
“一旦我们理解了热电冷却器在原子和近原子水平上是如何工作的，”他说，“我们就可以扩大到宏观尺度，在那里获得巨大的回报。”
" 学分:洛杉矶加州大学 测量设备变得多冷 在如此微小的设备中测量温度是一项挑战
光学温度计在如此小的范围内分辨率很低，而扫描探针技术需要专门、昂贵的设备
这两种方法都需要艰苦的校准
2015年，里根的研究小组开发了一种叫做PEET的测温技术，或等离子体能量膨胀测温法，它使用透射电子显微镜通过测量密度的变化来确定纳米尺度的温度
为了测量热电冷却器的温度，研究人员在每个冷却器上沉积了由铟元素制成的纳米颗粒，并选择了一种特定的颗粒作为温度计
当研究小组改变冷却器的功率时，这些设备被加热和冷却，铟相应地膨胀和收缩
通过测量铟的密度，研究人员能够确定纳米粒子的精确温度，从而确定冷却器的温度
加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究所的成员雷根说:“PEET有空间分辨率来绘制几纳米尺度的热梯度，这是纳米结构热电材料几乎未被探索过的领域。”
为了补充PEET测量，研究人员发明了一种叫做冷凝测温的技术
基本思想很简单:当正常空气冷却到一定温度——露点——空气中的水蒸气凝结成液滴，要么是露水，要么是雨水
研究小组利用这种效应，在用光学显微镜观察的同时给他们的设备供电
当装置达到露点时，微小的露珠立即在它的表面形成
里根赞扬了他的学生研究人员在帮助开发和测量纳米设备性能方面的工作
里根说:“将先进的材料科学和电子显微镜技术与日常领域的物理联系起来，比如制冷和结露，有助于学生很快解决问题。”
“看着他们学习和创新让我对热电的未来充满希望
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