美國宇航局的最新火星探測車依賴於一種半導體材料夾層，它可以將熱量轉化為電能。在好奇號的案例中，鈽238的穩定放射性衰變加熱了這種熱電材料，並將大約4%的熱量轉化為穩定的電子流。月球靜海上的一個類似的放射性同位素熱電機（RTG）在幾十年後仍在工作，兩個旅行者號飛船在35年前發射後，其上的RTG也在工作；這種持久的可靠性是美國宇航局採用這種低效技術的主要原因。現在，研究人員發現了一種方法，至少可以將此類發電機效率提高一倍——這表明熱電材料可能會在航空航天以外的應用以及地球上找到用武之地。
新型和舊型熱電材料最常見的核心是一種稱為碲化鉛的化合物。當僅在一側暴露於熱量時——無論是來自放射性同位素還是其他來源——只要保持溫差，它就會感應出電流。改進熱電材料的挑戰在於，既要阻止熱量在材料中傳遞，又不能干擾其導電能力。
西北大學化學家默庫裡·卡納齊迪斯和他的同事在9月20日發表在《自然》雜誌上的報告中指出，透過從原子尺度到單個晶粒尺度精確設計材料，可以阻止碲化鉛的熱導率，而不會影響其電導率。結果是一種可以將至少8%的熱量轉化為電能的材料——理論上可以轉化高達20%。（《大眾科學》 是自然出版集團的一部分。）
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研究人員首先熔化碲化鉛，然後將其凍結，從而在原子中建立奈米級晶體結構。這些精確定向的奈米結構散射中波長振動，或聲子，聲子攜帶熱量，同時允許電子無阻礙地透過。
但是，較長波長的聲子也繼續透過，因為它們的波長比奈米結構的尺寸更長。因此，卡納齊迪斯和他的同事更進一步，將奈米結構材料研磨成粉末。然後將粉末進行放電等離子燒結——在擠壓粉末的同時，還在短時間內透過“非常大的[電流]量”（用卡納齊迪斯的話說）——將晶粒固結成更大的塊狀。由於燒結髮生得非常快，材料不會熔化，但會壓實，使其足夠堅硬，可以切割並製造成熱電器件的核心。而這些晶粒有效地阻擋了較長波長的熱量，同時仍然允許電流流動。
卡納齊迪斯稱這種“全尺度”工藝的結合，使碲化鉛材料在高溫度下將熱量轉化為電能的效率提高了一倍以上。“這非常重要，並且使整個裝置更小，”卡納齊迪斯指出。
或者，正如慕尼黑工業大學化學家湯姆·尼爾格斯在同一期《自然》雜誌上撰文，關於他比作俄羅斯套娃的新制造工藝，該工藝由巢狀在彼此內部的越來越小的材料單元組成，“這種組合方法將碲化鉛的熱電效能提高到以前無法達到的水平。”
在這些水平上，此類熱電器件可能在收集車輛（如海上油輪或卡車）的廢熱並將其轉化為電能方面變得實用。寶馬和福特已經在汽車中測試類似的熱電材料。或者，這些器件可以用於高溫冶金或玻璃製造行業。麻省理工學院的科學家甚至使用這種熱電材料製造了一種裝置，可以將太陽的熱量更直接地轉化為電能，而不是採用傳統太陽能熱電站的大型鏡陣列。
當然，鉛和碲都有毒，但無毒替代品，如氧化鋅，未來可能被證明是可行的。至少，下一個登陸外星球的機器人探測車可能會有更多的能量。