不要因一时困难而改变理想

1963年8月，任志锋出生在南部县石泉乡一个贫苦农民的家庭。任家共有7个子女，生活捉襟见肘，单是一日三餐都让父母头疼。或许因为贫穷，任志锋比别的孩子懂事早，学习也比别的孩子刻苦，从小学到初中，他的成绩一直排在全年级第一名。

1977年，任志锋初中毕业后报考了一所师范学校。因个小体弱、没有“师表”，面试时，他被淘汰。任志锋面临着两种选择:一种是复习一年，去考中专学校，一种是读三年高中再考大学。尽管他心里一直想当一名科学家，让父母乡亲科学种田过上好日子，但是权衡再三，想着父母筹集学费的艰难，任志锋还是决定考中专。

当年9月，任志锋怀着复杂的心情开始复习。没想到，曾教过他的老师何国安、朱永聪夫妇，很快发现了这一情况。他们不忍心品学兼优的学生失去上大学的机会，于是约上张正富老师来到任志锋家中，极力给他父母做工作:“志锋这孩子学习刻苦，成绩优异，上高中考大学绝对没有问题。可以说，他是我们教书这么多年来遇到的最优秀的学生。希望你们能尊重我们的意见。经济上有困难，我们一起想办法，好吗?”任志锋很感激，深知老师很关爱自己，可他不忍心年迈体弱的父母再多操劳，于是回绝了:“上中专我一样可以深造啊！”

“我们相信你能深造。志锋，你不是说过长大要当科学家吗?如果你的视野有限，你的知识面必然受到限制，那今后你不就成了空想家?再说咱们人穷志不能短啊，认准了的目标就要朝着它奋斗，千万不要因为一时困难而改变自己的初衷！”何国安恨不得一下子就做通思想工作。向来沉默寡言的父亲任宗纯感动了，当即表态:“再苦再累，我们认了，老师放心，一定让孩子安心上学。”

三年高中没吃过一顿饱饭

1977年10月国庆节后，任志锋走进了大桥中学。从那以后，大桥中学里，每天晚上都有一个学生熄灯铃响过后依然在埋头苦读;每天早上，别人还在梦中时，那个学生又悄悄起床走进了教室……

任志锋上高中那些年，南部县干旱灾情严重，很多人家的稻谷连续几年颗粒无收。没有稻谷，任志锋一日三餐都要吃难以下咽的玉米干饭。有时就连这也吃不饱，还要饿着肚子听课，有时晚上饿得实在难以入眠了，任志锋就悄悄起床看书……

由于天旱，学校里用水受到了严格限制，任志锋一两个月里难得洗脸、洗脚，连饭盒都不常洗;也是由于天旱，任志锋的父母为了筹集学费，每天半夜三更要到离家很远的深井里打水，然后一瓢一瓢舀起来担回家浇灌蔬菜，再将卖蔬菜的角票积攒起来，作为任志锋的学费……

今天回忆起高中时代的生活，任志锋仍记忆犹新。他告诉笔者，高中三年里，他从来没有穿过一件新衣服，从来没有真正意义上吃过一顿饱饭，也从来没有吃过一次猪肉，生活的清苦常人很难想象。尽管在那样的艰苦环境下学习和生活，他立志当科学家的愿望却从来没有动摇过。因为在精神上，有他的父母、师友，一直伴着他，激励他。

应该说是“因祸得福”，这些挫折和磨难，为他后来克服科研中一个又一个困难，攻破一个又一个难关，打下了坚实的基础。

目标引导他一步步成功

1980年，任志锋以优异的成绩考入四川工业学院机械系。接到录取通知书那天，他看清自己的专业是机械铸造后，一度心灰意冷到了极点。他想，机械铸造与小镇上的铁匠打铁有多少区别呢?这与自己要当科学家的愿望简直是天壤之别。任志锋很想放弃读大学，再复习一年，争取来年再考名牌大学，但想到自己家的经济状况，他又犹豫了，要父母再操劳一年，他实在于心不忍。恰好，何国安老师来了，得知他的想法后就鼓励他，上大学后只要自己努力，心中的目标就一定能实现。

老师的鼓励让他再次看到了希望。然而，当他满怀豪情踏进大学校园后，又发现校园环境与自己想象的“象牙塔”有很大区别，他再次觉得前途渺茫，有了得过且过的想法。没有认真学习，结果第一学期期末考试，他的成绩还排在全班第三名，这令他有点飘飘然。

一天，任志锋偶然地从报上看到一则消息，说一个身世与他差不多的农村孩子考上了研究生。他深为震撼，暗想别人也是条件差，却不放弃追求，自己为什么就不能那样做呢?那天晚上，任志锋失眠了。辗转反侧中，他忽然发现寝室里还有人在悄悄看书，他感到非常惊讶，假意下床上厕所，才看清那位同学原来是在为考研做准备。于是，第二天，他带着省吃俭用的钱，买回了考研的书籍。

1984年，任志锋考入了华中工学院，在张承甫门下攻读铸造专业，他把科研方向定位在处于科研前沿的金属凝固理论。从四川工业学院到华中工学院，任志锋的眼界开阔了许多，一些新的理念迅速在他脑海中形成。他知道，自己距离当科学家的奋斗目标已经不远了，坚持下去一定能成功。此时，他又把目光瞄准了科学技术方面的最高学术机构———中科院。1987年，他如愿考入中科院物理研究所，从事超导物理研究。为了早日取得科研成果，任志锋在从事研究的同时，写信与国外一些大学联系，表明了留学深造的愿望。他先后三次寄出了上百封信，都如同泥牛入海。好在，努力的人终会得到幸运，最后，美国纽约大学从太平洋彼岸伸来热情的双手。

任志锋把美国比做青年人的战场。他告诉笔者，初到那里，当他表明自己要从事超导研究的愿望后，一位高鼻子蓝眼睛的美国教授冷冷地告诉他，只有笨蛋才会去做超导研究。那位教授还当着众人的面告诉任志锋，要在美国拿到教授职位永远不可能。面对挑战，任志锋咬紧了牙关，他把中学时代的拼劲拿出来，天天扎根实验室……

任志锋的留学签证时间是三年，三年期满后，如果他在科研方面没有建树的话，将无条件地返回中科院。而就在第三年，任志锋在超导方面的研究已经进入了最后的攻坚阶段，眼看签证就要到期了，他非常着急。

天无绝人之路。终于，签证还未到期，他撰写的超导论文已经发表在美国权威的学术期刊上。纽约大学布法罗分校的王瑞骏教授对他的论文很感兴趣，为了帮助任志锋继续研究，王教授特意建立了超导研究实验室并聘任志锋为研究教授。功到自然成，一年以后，任志锋研究的碳纳米管技术、纳米净水技术在美国引起了轰动:这种600摄氏度高温下培植在玻璃上的碳纳米管，只有头发的万分之一那么细，但它的硬度，却超过了钢铁，它的应用前景不可估量。

曾经预言他不可能获得美国大学教授职位的那位美国教授，也改口称任志锋是奇才，简直不可思议。

最新成果，登上Science，热电材料新突破

热电材料在清洁能源转型中具有重要作用，因为它们可以利用废热发电，不产生额外的温室气体，也不需要大量的前期投资。然而，由于目前大多数热电材料无法有效地产生足够的功率以满足许多实际应用的需求，其发展前景受到了限制。寻找新型、更高效的热电材料通常涉及复杂的化学成分，这是一项劳动密集型的工作，需要对每种新提出的多材料成分进行实验测试，并且通常使用有毒或稀有元素。

在此，休斯顿大学任志峰教授团队提出了一种预测一系列材料实现带收敛的新方法，并成功获得了p 型 Zintl 化合物，证明了这样的设想，该化合物将提供高效的热电性能。与此同时，制造了相应的热电模块，在温差为 475 开尔文或约 855 华氏度时，热电转换效率超过 10%。相关成果以“Global band convergence design for high-performance thermoelectric power generation in Zintls”为题发表在《Science》上，第一作者为Xin Shi，Shaowei Song为共同一作。

任志峰（左）Xin Shi（中）和Shaowei Song（右）与他们自制的能源转换效率测量系统

根据 YbxCa1-xMgyZn2-ySb2 合金的 Δ 与其母体化合物的 Δ 呈线性关系这一假设，作者设计了一系列成分，通过这些成分，所有成分同时在总体上实现了带收敛（Δ = 0）。利用这种方法，作者合成了一系列 PFs 远高于母体化合物的成分，最终在 773 K 时，Yb0.7Ca0.3Mg0.55Zn1.45Sb2 的 zT 峰值达到了约 1.2。这个 zT 是 AM2X2 化合物和其他 p 型 Zintls（图 1A）中报道的最高值之一。线性关系是作者成分设计策略的基础，作者随后对这一假设进行了检验，并证实了其有效性。作者的材料在热稳定性和时间稳定性方面均表现良好。作者将 p 型 Yb0.7Ca0.3Mg0.55Zn1.45Sb2 与 n 型 Mg3+δY0.02Sb1.5Bi0.5 材料配对，组装出了一个热电模块，此模块表现出卓越的器件级性能，在 475 K 的温差（ΔT）条件下，其最大 η 达到约 10.1%。此外，模块不含任何有毒元素或 Te。作者设计的材料和组装的全 Zintl 模块是下一代废热回收和热电发电的潜在解决方案。

图1. p型Yb0.7Ca0.3Mg0.55Zn1.45Sb2 Zintl材料的高热电性能

频段融合的构图设计

作者根据文中的非线性公式设计并合成了一系列化合物，测量了它们随温度变化的 S 值（图 2A）和 ρ 值（图 2B），最终得到了一系列确实显示出很高 PF 值的化合物，其 PF 值远远高于它们的母体化合物（图 2C）。如此大的峰值和平均 PF（PFave）值在 p 型 Zintls 中并不常见。此外，与母体化合物相比，晶格热导率（κL，图 2D）值受到了抑制，这是因为作者设计的高熵化合物本身具有很强的声子散射。低 κL 有利于低总体 κ（图 2E）。总之，电学和热学特性的优化使这些特定成分具有极具吸引力的 zT 值。在 773 K 时，Yb0.7Ca0.3Mg0.55Zn1.45Sb2 的 zT 峰值最高，约为 1.2（图 2F），是所有 p 型 Zintl 材料中最高的（图 1A）。

图 2. 推测能带会聚的 YbxCa1−x−δNaδMgyZn2−ySb2 合金的热电性能

能带收敛研究和验证

作者得到的YbxCa1−x−δNaδMgyZn2−ySb2的Δ公式假设某一成分的Δ与其四个母化合物的Δ具有线性关系，这引发了对其有效性的质疑。作者从三个角度尝试验证所设计的成分是否因该方法实现了能带收敛。首先，作者通过对假设能带收敛的成分引入小扰动，设计了一种非常规测试。如果作者的假设正确，扰动后的成分最高价带应是非收敛的，且其功率因子（PF）值会较低。作者在最佳成分Yb0.7Ca0.3Mg0.55Zn1.45Sb2上进行了测试，合成了两个接近的化合物，发现这些化合物的PF值在整个温度范围内都低于Yb0.7Ca0.3Mg0.55Zn1.45Sb2（图3A）。PF值的下降表明其能带收敛状态。其次，热电材料的加权迁移率是判断能带收敛的有效参数，因为质量因子B与成正比。作者计算了三个成分在室温下的值，发现假设能带收敛的Yb0.7Ca0.3Mg0.55Zn1.45Sb2在其他两个成分中占据主导地位（图3B）。这些测试验证了作者对这一类化合物提出的线性能带收敛假设。第三，作者对有效质量密度进行修正，修订后的指标对于从功能上表征该材料系列的能带收敛状态是合法且有用的。

除了使用以Yb0.7Ca0.3Mg0.55Zn1.45Sb2为中心的扰动成分外，作者还尝试通过另一组成分验证作者提出的方法。作者设计了另外两个成分作为接近Yb0.7Ca0.3Mg0.55Zn1.45Sb2的非收敛成分。结果显示，这两个非收敛成分的所有三个指标值都系统性地低于收敛成分Yb0.5Ca0.49Na0.01Mg0.64Zn1.36Sb2（图3，C和D）。

图 3.电子频段收敛的性能指标

热稳定性和时间稳定性

材料的稳定性是评估其商业应用潜力的关键。作者测试了高zT的Yb0.7Ca0.3Mg0.55Zn1.45Sb2，使其在室温和673 K之间进行了五个加热和冷却循环。结果显示，特定温度下的PF值在五个循环中变化很小，标准偏差低至2.7%（图4A）。长期性能测试表明，经过27个月空气暴露后，S值略有下降，但ρ值几乎未变（图4B）。从298到773 K，PFave仅下降约1.2 μW cm-1 K-2（图4C）。在更高温度（773 K）下的五次循环测试中，PFave值几乎没有变化（图4D，插图）。这些测试对于确定材料的商业化竞争力非常重要。

图 4 Yb0.7Ca0.3Mg0.55Zn1.45Sb2 的热稳定性和时间稳定性

发电用热电模块

热电模块通过温差将热能转化为电能。作者将p型Yb0.7Ca0.3Mg0.55Zn1.45Sb2与n型Zintl化合物Mg3.08Y0.02Sb1.5Bi0.5配对制成了热电模块。两种材料具有相似的热膨胀系数，操作中不会产生显著热应力。测试结果显示，随着热端温度（Th）增加，负载电压和输出功率均增加。在Th为773 K时，模块实现了227 mW的最大输出功率（图5A），对应的功率密度为1.7 W cm−2。估算表明，常规尺寸的热电发电机在Th为773 K时可实现17.2 W的功率输出；达到5 W和10 W输出所需的Th分别为539 K和651 K（图5B，插图）。如果制造更大尺寸的发电机，功率输出可达41.3 W，对应的Th分别为517 K和618 K。

模块的效率随Th增加而提高，在773 K时达到10.1%的峰值效率，接近理论估算的11.1%（图5D）。作者的模块在效率和功率密度方面表现优异，同时具有无毒、结构稳定和无Te的优点。相比许多当前先进模块含有有毒元素或结构相变的问题，作者的模块更适合实际应用，特别是在中高温废热回收方面。

图5 Yb0.7Ca0.3Mg0.55Zn1.45Sb2/Mg3.08Y0.02Sb1.5Bi0.5热电模块的热电转换性能

小结

作者提出了一种方法，通过四种母化合物的Δ值加权求和归零，设计了一系列电子能带收敛的YbxCa1−xMgyZn2−ySb2高熵合金成分。使用三种不同的实验指标验证了该方法的有效性。设计的成分表现出比母化合物更高的功率因子（PF）和低热导率（κ），使Yb0.7Ca0.3Mg0.55Zn1.45Sb2在773 K时的zT值达到约1.2。该材料还显示出优异的稳定性，具有商业应用潜力。将Yb0.7Ca0.3Mg0.55Zn1.45Sb2与n型Zintl化合物Mg3.08Y0.02Sb1.5Bi0.5配对，制备了热电模块。在ΔT = 475 K时，模块实现了1.7 W cm−2的高功率密度和超过10%的高效率。该材料无毒、结构可靠且不含Te，适合用于下一代废热回收和热电发电。

来源：高分子科学前沿

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