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　　熱電水凝膠是一種具有優(yōu)異熱電性能的材料，被廣泛應(yīng)用于熱電轉(zhuǎn)換器件和熱電散熱器件等。因其具有柔性可拉伸特性，通過人為設(shè)計可制備成軟硬不同、薄厚不同、顏色不同的材料，甚至可以制作成與皮膚表面共形貼合的薄膜。

　　人類對熱能的利用效率只有30%左右，大部分的熱會以廢熱的形式在環(huán)境中耗散，其中2/3的廢熱溫度低于200℃，有效回收低品位廢熱對可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

　　由于具有比電子熱電材料高2至3個數(shù)量級的熱電壓，以準(zhǔn)固態(tài)凝膠為代表的熱電水凝膠等離子熱電材料備受關(guān)注。

　　熱電水凝膠材料具有哪些良好性能？未來還有哪些應(yīng)用？帶著這些問題，記者采訪了相關(guān)專家。

　　一種具有優(yōu)異熱電性能的材料

　　熱電水凝膠是一種具有優(yōu)異熱電性能的材料，被廣泛應(yīng)用于熱電轉(zhuǎn)換器件和熱電散熱器件等。因其具有柔性可拉伸特性，通過人為設(shè)計可制備成軟硬不同、薄厚不同、顏色不同的材料，甚至可以制作成與皮膚表面共形貼合的薄膜。

　　太原理工大學(xué)電子信息與光學(xué)工程學(xué)院張虎林教授介紹，當(dāng)把熱電水凝膠材料置入有溫度梯度的環(huán)境中，材料中氧化還原對的熱伏效應(yīng)會在材料兩端形成電化學(xué)電位差。如果敷設(shè)上電極，器件兩端就會產(chǎn)生電極電位差，即形成電壓差。

　　熱電水凝膠的制備方法多種多樣，大致可以分為物理交聯(lián)法和化學(xué)交聯(lián)法兩類，具體制備方法常見的有溶膠—凝膠法、電泳法、聚合法等。

　　太原理工大學(xué)碩士研究生楊航介紹，她所在的研究團(tuán)隊目前常用的制備方法為溶膠—凝膠法，即選擇適當(dāng)?shù)娜軇?，將所需的熱電材料溶解其中，形成膠體溶液。在適當(dāng)?shù)臈l件下，通過熱處理或者其他方法，將膠體溶液轉(zhuǎn)化為熱電水凝膠。

　　“聚合法也是一種化學(xué)方法，通過在單體溶液中加入交聯(lián)劑、引發(fā)劑等化學(xué)試劑，使其發(fā)生自由基聚合反應(yīng)從而形成熱電水凝膠。而電泳法則是通過給膠體溶液通電，使其在外加電場的作用下發(fā)生聚合。”楊航說。

　　在日常生活中應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛

　　熱電水凝膠材料在日常生活中有著很多應(yīng)用案例，如熱電發(fā)電機(jī)就是利用熱電效應(yīng)，將熱能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。在熱電發(fā)電機(jī)中，熱電水凝膠作為熱電材料可以將廢熱轉(zhuǎn)化為電能。

　　武漢大學(xué)劉抗研究員、胡雪蛟教授團(tuán)隊曾設(shè)計開發(fā)了一種智能熱電水凝膠，將該水凝膠薄膜貼覆于發(fā)熱元件，一方面可直接將廢熱回收轉(zhuǎn)化為電能，另一方面，水凝膠內(nèi)部的水分會快速蒸發(fā)帶走熱量，降低器件溫度。同時，當(dāng)器件停止工作后，水凝膠薄膜又會從周圍的空氣中吸收水分，自發(fā)實現(xiàn)往復(fù)利用。

　　與此同時，熱電水凝膠還可以應(yīng)用于溫度傳感器中，用于測量溫度。由于熱電水凝膠的熱電性能與溫度密切相關(guān)，因此可以通過測量熱電水凝膠的電壓差來確定溫度的變化。這種基于熱電水凝膠的溫度傳感器具有響應(yīng)速度快、精度高等優(yōu)點。

　　結(jié)合熱電水凝膠的特性，張虎林團(tuán)隊探索的利用熱電水凝膠實現(xiàn)無源可穿戴運(yùn)動監(jiān)測，也是熱電水凝膠具有前景的應(yīng)用方向之一。

　　該團(tuán)隊研發(fā)的柔性可食用水凝膠敏感單元，可以用來監(jiān)測嬰兒身體表面的生物壓力。“我們將傳感器附著在嬰兒衣物以及皮膚上，11個壓強(qiáng)傳感器分別覆蓋在胸部、手、膝蓋、腳、頸部、背部、手腕和臀部等重點部位。我們預(yù)先收集了特定運(yùn)動模式的信號，例如翻身、抱嬰兒、拍背和鼓掌，并基于這些信號特征開發(fā)深度學(xué)習(xí)算法，可以快速準(zhǔn)確識別嬰兒的活動狀態(tài)。”張虎林介紹。

　　盡管國內(nèi)關(guān)于無源可穿戴運(yùn)動監(jiān)測研究還相對較少，但熱電水凝膠材料可以直接貼合于皮膚或衣物，敏感單元可大可小，為無源可穿戴運(yùn)動監(jiān)測提供了無限可能。

　　南開大學(xué)馬儒軍教授課題組就曾設(shè)計了一種基于拉伸誘導(dǎo)結(jié)晶和熱電化學(xué)效應(yīng)的高熱電性能的強(qiáng)韌可拉伸熱電水凝膠，該項研究克服了傳統(tǒng)準(zhǔn)固態(tài)熱電池力學(xué)強(qiáng)度低的限制，同時優(yōu)化了熱電性能，為設(shè)計具備高效熱電轉(zhuǎn)換以及靈活可靠的可穿戴電子設(shè)備提供了可行方案。

　　談及熱電水凝膠材料的發(fā)展，張虎林表示信心滿滿。“未來我們將立足于現(xiàn)有的研究成果，結(jié)合自身專業(yè)特長，不斷提升信號轉(zhuǎn)換穩(wěn)定性，開發(fā)更適合的信號處理算法，發(fā)展一系列無源智能可穿戴器件。相信實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化就在不久的將來。”張虎林說。

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　　新型凝膠可實現(xiàn)光、熱、電的轉(zhuǎn)換

　　日前，太原理工大學(xué)電子信息與光學(xué)工程學(xué)院張虎林教授團(tuán)隊制備了一種光驅(qū)動柔性熱電水凝膠，凝膠部分由聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷聚合物網(wǎng)絡(luò)與二價鐵離子/三價鐵離子氧化還原對組成。該成果發(fā)表在《化學(xué)工程學(xué)報》上。

　　團(tuán)隊人員在傳統(tǒng)熱電水凝膠材料的基礎(chǔ)上，制備了一種光驅(qū)動柔性熱電水凝膠貼片。該成果采用了雙層結(jié)構(gòu)，上面一層由聚二甲基硅氧烷聚合物組成，并摻入二氧化硅包覆的金納米顆粒，利用局域表面等離子體共振效應(yīng)實現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)換。下層為聚乙烯醇網(wǎng)絡(luò)與二價鐵離子/三價鐵離子氧化還原對組成的薄膜，并摻入聚二甲基硅氧烷聚合物顆粒來降低熱導(dǎo)率。“可見光的波長大概為400納米到800納米，當(dāng)聚二甲基硅氧烷聚合物網(wǎng)絡(luò)中的金納米顆粒表面電子整體振動頻率與可見光大致匹配，可以和可見光之間發(fā)生共振并吸收光子能量，實現(xiàn)光到熱的轉(zhuǎn)換。”張虎林解釋。

　　張虎林介紹，熱電水凝膠材料除有機(jī)框架之外，70%以上都由水組成。在北方等地區(qū)，因為干燥的氣候條件很容易使熱電水凝膠材料失水，從而影響其熱電轉(zhuǎn)化效率。

　　“保證水分不流失，是提升熱電水凝膠性能穩(wěn)定性的關(guān)鍵。”張虎林表示，目前國內(nèi)從事熱電水凝膠材料研究的團(tuán)隊相對較少，可借鑒經(jīng)驗相對不足。在這項研究中，團(tuán)隊歷經(jīng)幾個月的摸索，通過調(diào)整材料內(nèi)在物理化學(xué)結(jié)構(gòu)，以及在外部封裝防止水分蒸發(fā)兩種方式，降低了材料的失水率。