Ištiesk ranką ir paliesk savo automobilio variklio dangtį, įjungto kompiuterio, šaldytuvo ar televizoriaus nugarėlę. Šilumos, kurią pajusite, jums nepavyks kaip nors panaudoti, nors - tai nekelia jokių abejonių - už tą šilumą teks mokėti būtent jums. Kaskart kai užpildote kuro baką ar į elektros tinklą įjungiate buitinį prietaisą, iki pusės energijos išsiskirs šilumos forma.

   Būtų gerai sugaudyti tą iššvaistomą šilumos energiją ir ją panaudoti. Atrodo, kad dabar atsirado būdas, leisiantis tai padaryti. Pasitelkus kvantinių dalelių, vadinamų fononais, valdymą bus galima šiluminių elektrinių, generatorių ir netgi automobilių šilumos nuostolius paversti elektros srove.

   Ši technologija buvo tobulinama beveik 200 metų. 1821 m. Taline gyvenęs švedas fizikas Thomas Seebeckas pastebėjo keistus magnetinius efektus, pasireiškiančius tada kai jis kaitindavo tik vieną metalinio grandyno pusę. Vėliau efektą pavyko paaiškinti. Pašildžius dalį grandyno elektronai joje susižadina ir pradeda sparčiau lakstyti į visas puses. Dalis elektronų nukeliauja ir į šaltąją pusę, todėl ji užsikrauna neigiamai ir atsiranda potencialų skirtumas, verčiantis tekėti elektros srovę. Šis reiškinys vadinamas termoelektra.

   Bėda tame, kad metalai yra laidūs ir elektrai, ir šilumai, todėl šaltasis grandyno galas greitai įšyla ir efektas išnyksta. Ko reikia yra medžiaga, sugebanti sukurti termoelektrą, bet nelaidi šilumai.

Medžiaga, kuri sklaido fononus, bet leidžia laisvai judėti elektronams, gali efektyviai versti atliekamą šilumos energiją į elektros energiją.

   Šviesą sudaro fotonai, o šilumą - fononai. Kietame kūne šios kvantinės dalelės perneša šilumą. Todėl reikia sugalvoti kaip sustabdyti ar bent jau išsklaidyti fononus.

   1996 m. Massachusetso technologijos instituto fizikai Mildreda Dresselhaus ir Lyndonas Hicksas rado šios problemos sprendimo būdą. Jie tyrė medžiagą, sudarytą iš europio ir švino telūrido sluoksnių, įterptų tarp gryno švino telūrido sluoksnių. Skersai tokio sumuštinio sklindantys elektronai ribų tarp abiejų medžiagų beveik nejunta. Bet su fononais reikalai klostosi visai kitaip. Fononai yra labai jautrūs jungčių tarp atomų sandarai. Kadangi švinas yra gerokai sunkesnis už europį, dviejų medžiagų ribose tos jungtys bus įtemptos. Tos ribos veiks fononus panašiai kaip riba tarp vandens ir oro veikia fotonus. Fononams bus sunku įveikti ribas tarp EuPbTe ir PbTe. Rezultate paaiškėjo, jog sluoksniuotoji medžiaga generavo keturis kartus didesnę nei švino telūridas termoelektrinę įtampą.

   Dresselhaus ir Hickso atradimas sukėlė didelį susidomėjimą medžiagomis, kuriose elektronai ir fononai sklinda skirtingais greičiais. Termoelektrinių medžiagų šilumos vertimo elektra efektyvumai yra vertinamas lyginant jų "vertingumo skaičius" (Figure of Merit). Šeštajame dešimtmetyje geriausi termoelementai buvo gaminami iš bismuto telūrido, kurio vertingumo skaičius yra apie 1. Šie termoelementai tiko kai kuriems specialiems taikymams - egzistuoja turistiniai žibintai, naudojantys termoelektrą, atvirkštinis termoelektrinis (arba Peltje) efektas yra naudojamas šaldant kosminių laivų elektronikos komponentus arba ryšių linijų lazerinius diodus. Bet metai bėgo, o niekas nesugebėjo sukurti medžiagos su didesniu už 1 vertingumo skaičiumi. Kai kas netgi pradėjo manyti, kad egzistuoja kokia nors principinė riba, neleidžianti iš šilumos pagaminti daugiau elektros.

   Bet šių metų pradžioje Mercouri Kanatzidis ir jo kolegos iš Mičigano universiteto paneigė tokią idėją. Per dešimtmetį trukusius termoelektrinių medžiagų tyrimus Kanatzidis sukūrė šimtus naujų efektyvių medžiagų ir dabar vienos jų vertingumo skaičius pasiekė stebinančią vertę 2,2. Kai temperatūros skirtumas yra 600 ^oC (pusė to skirtumo, kuris susidaro tarp automobilio išmetamojo vamzdžio ir jį supančio oro), naujoji medžiaga gali paversti elektra 18 proc. šilumos energijos. Tai jau nebėra smulkmena, o milžiniški energijos kiekiai.

   Naujasis Kanatzidžio užpatentuotas lydinys yra stebėtinai paprastai pagaminamas. Jį gaminant nereikia kruopščiai užnešti sluoksnį po sluoksnio. Kanatzidis tam tikromis proporcijomis sulydė stibį, šviną, sidabrą ir telūrą. Sudedamosios dalys yra 4 val. kepinamos 800 ^oC temperatūroje, o vėliau dar 40 val. 400 ^oC temperatūroje ir ataušinamos iki kambario temperatūros.

   Kaip naujoji medžiaga veikia? Pradžioje to nežinojo pats Kanatzidis. Jo grupė sukūrė lydinį tikėdamiesi, kad lengvų ir sunkių atomų mišinyje atsiras jungčių sandaros pokyčiai, kurie labiau veiks fononus, o ne elektronus. Bet medžiagoje vykstantys procesai pasirodė kur kas sudėtingesni. Elektroniniu mikroskopu padarytos nuotraukos paliudijo, kad sidabras ir stibis sudaro nanometrų dydžio saleles, kurios išsidėsto jas supančioje švino ir telūro "jūroje". Ribose tarp skirtingų medžiagų fononai stipriai sklaidosi, taip pat kaip tas vyko ir Dresselhaus ir Hickso sluoksniuotuose dariniuose.

   JAV Jūrų laivynas dabar Kanatzidžio lydinius naudos termolektriniuose generatoriuose, tvirtinamuose tiesiog ant laivo garo turbinos. Po to tikimasi sukurti ir automobiliams skirtus generatorius. Taip yra tikimasi sutaupyti milžiniškus kuro kiekius.