电子顺磁应用顺磁材料可将热量转换为能量！将汽车尾气的热量转化为电能？|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

顺磁材料可将热量转换为能量！将汽车尾气的热量转化为电能？

科学家观察到，即使在顺磁材料中，固体中自旋的局部热扰动也可以将热量转换为能量，在顺磁材料中，自旋被认为关联的时间不够长。这种效应，研究人员称其为“准磁悬浮阻力热电势”，将温差转换为电压。这一发现可能促使更有效的热能收集，例如将汽车尾气的热量转化为电能以提高燃料效率，或通过体热为智能衣服提供动力。该研究团队包括来自北卡罗来纳州立大学、能源部橡树岭国家实验室(ORNL)、中国科学院和俄亥俄州立大学的科学家。

在含有磁性离子(如锰)的固体中，自旋的热扰动要么可以彼此对齐(铁磁或反铁磁体)，要么不对齐(顺磁体)。然而，自旋在准磁体中并不是完全随机的：它们形成短期、短程、局部有序的结构（准磁子）这些结构只存在百万分之一秒，并且只延伸到两到四个原子上。其研究发表在《科学进展》期刊上，研究表明，尽管存在这些缺点，但即使是准粒子也可以在温差中移动，并推动自由电子一起，形成准非拖曳热电势。

在一项概念验证的发现中，研究小组观察到碲化锰(MnTe)中的准磁阻延伸到非常高的温度，并产生比仅靠电子电荷产生热电势强得多的热电势。研究小组通过将掺锂的MnTe加热到比其Néel温度(34摄氏度)高出约250摄氏度（材料中的自旋失去长程磁序和材料成为顺磁性的温度）来测试顺磁阻力热电势的概念。

（此处已添加圈子卡片，请到今日头条客户端查看）

联合作者，北卡罗来纳州立大学(NC State)电气和计算机工程及材料科学教授达约什·瓦沙伊(Daryoosh Vashaee)说：在内尔温度以上，人们会认为由自旋波产生的热电势会下降，然而，没有看到预期的下降，所以想找出原因。

在橡树岭国家实验室，研究小组使用散裂中子源的中子光谱学来确定材料内部发生了什么。ORNL的材料科学家、该论文的联合作者Raphael Hermann说：观察到，即使没有持续的自旋波，局域离子簇也会将自旋关联足够长的时间，从而产生可见的磁场波动。研究表明，这些自旋波的寿命（大约30飞秒）足够长，可以拖动电子电荷，而这只需要大约一飞秒，或一万亿分之一秒就可以了。因此，短暂的自旋波可以推动电荷并产生足够的热电势，以防止预期的下降。

俄亥俄州立大学(Ohio State University)机械和航空航天工程教授、这篇论文的联合作者约瑟夫·赫曼斯(Joseph Heremans)说：在这项研究之前，人们认为磁振子阻力只能存在于磁性有序材料中，而不是准磁体中。因为最好的热电材料是半导体，而且我们知道在室温或更高温度下没有铁磁半导体，以前从未想过磁振子阻力可以在实际应用中提高热电效率，这一新发现彻底改变了这一点；现在可以研究顺磁半导体，其中有很多这样的半导体。

北京中国科学院教授、该论文的联合作者赵怀洲表示：当观察到塞贝克系数在奈尔温度以下和附近突然上升，这一超额值延伸到高温时，我们怀疑一定涉及到与自旋有关的根本问题，因此组建了一个具有互补专业知识的研究团队，为这一发现奠定了基础。自旋通过减轻泡利排斥对电子施加的基本平衡，在热电方面实现了一种新范式。正如自旋塞贝克效应的发现一样，自旋-塞贝克效应促使诞生了自旋角动量转移到电子的新领域，自旋波(即磁子)和顺磁状态下磁化的局部热涨落(即顺磁子)都可以将其线性动量转移到电子并产生热电势

博科园｜研究/来自：北卡罗来纳州立大学

参考期刊《科学进展》

DOI: 10.1126/sciadv.aat9461

博科园｜科学、科技、科研、科普

电子顺磁共振（EPR）原理及应用

电子顺磁共振（Electron Paramagnetic Resonance，简称EPR），亦称“电子自旋共振” (ESR)，是由不配对电子的磁矩发源的一种磁共振技术，是研究化合物或矿物中不成对电子状态的重要工具。可用于从定性和定量方面检测物质原子或分子中所含的不配对电子，并探索其周围环境的结构特性。

01 EPR原理

在垂直于B0的方向上施加频率为hv的电磁波，当满足hv=gβB0时，处于两能级间的电子发生受激发跃迁，导致部分处于低能级中的电子吸收电磁波的能量跃迁到高能级中，这就是顺磁共振现象。受激跃迁产生的吸收信号经电子学系统处理可得到EPR吸谱线。

g为波谱分裂因子，简称g因子或g值；β为电子磁矩的自然单位，称玻尔磁子。g因子和A值是EPR谱图中两个最重要的信息，通过测试g因子和A值可以判断出单电子的类型，可能的结构信息，然后通过计算及模拟得出准确结构。

02 EPR研究对象

1.自由基 :分子中含有一个未成对电子的物质，如二苯苦基肼基(DPPH)，三苯甲基，都有一个未成对电子。

2.双基(Biradical)或多基(Polyradical) :在一个分子中含有两个或两个以上未成对电子的化合物，但它们的未成对电子相距较远，相互作用较弱。

3.三重态分子(tripletmolecule) :这种化合物的分子轨道中含有两个未成对电子，且相距很近，彼此之间有很强的相互作用。如氧分子，它们可以是基态或激发态。

4.过渡金属离子和稀土离子 :这类分子在原子轨道中出现未成对电子，如常见的过渡金属离子有Ti3+(3d1)， V3+(3d7)等。

5.固体中的晶格缺陷 ，一个或多个电子或空穴陷落在缺陷中或其附近，形成了一个具有单电子的物质，如面心、体心等。

6.具有奇数电子的原子 ，如氢、氮、碱金属原子。

03 EPR应用

1.自由基中间产物的直接检测和分析

用EPR检测自由基是一种快速的、直接有效的方法，实验中将所得EPR波谱中相应吸收峰的g因子计算出来，通过与标准值比较，估算是哪种自由基，再通过化学手段消除自由基以验证上面的推断。

2.瞬态自由基的EPR检测方法及应用

自由基捕捉技术与EPR相结合的方法具有检测灵敏度高、特异选择性强和分析结果可靠等优点，被广泛用于寿命短、稳态浓度低的瞬态自由基的检测，在许多涉及细胞甚至动物体系以及化学反应机制的研究中都得以广泛应用。瞬态自由基的EPR检测的实验方法是：首先设计并合成一种能够捕获自由基的探针分子，这种探针分子必须能够快速捕获反应过程中产生的瞬态自由基，然后用EPR对捕获反应加合物的分子结构进行解析，通过逐一鉴定EPR谱线上各峰对应组分结构，推断并鉴定。

3.顺磁离子配合物的EPR谱研究

顺磁离子配合物的EPR谱研究是将顺磁性金属离子作为结构探针，与蛋白质等有机物结合，形成配位结构，通过研究顺磁离子配合物的EPR图谱能够获取配合物的分子的自旋态、配位结构和电子能级等重要信息。顺磁性离子EPR波谱的解析依赖于配合物的构型与d电子及缺陷的分布，通过对理论计算的方法的研究，能够较为深入地解析多种过渡金属离子及其化合物在不同配位场作用下的EPR信号特征及催化性能研究。

4.固体中的晶格缺陷

一个或多个电子或空穴陷落在缺陷中或其附近，形成了一个具有单电子的物质，如面心、体心等。或因为原子缺少引起的含有单电子的原子缺陷。

5.电子顺磁共振在工农业生产中的应用

电子顺磁共振在实际工农业生产中具有非常多的应用，包括食品与自由基、啤酒酿造过程中的质量控制、辐照剂量计、考古年代的测定、检测烟草自由基、种子和花粉最佳储藏条件的预测等等。

电子顺磁应用顺磁材料可将热量转换为能量！将汽车尾气的热量转化为电能？

顺磁材料可将热量转换为能量！将汽车尾气的热量转化为电能？

电子顺磁共振（EPR）原理及应用