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體溫變電能，中國科學(xué)家研制出體溫發(fā)電新材料，僅有0.1 毫米厚

文章來源：賢集網(wǎng) 更新時間：2024-07-29 09:27:04

想象一下，我們的體溫能夠轉(zhuǎn)化為電能，為生活帶來無盡的便利。這曾經(jīng)是一個遙不可及的夢想，但中國科學(xué)家們讓它逐漸走向了現(xiàn)實。

神奇的人體體溫發(fā)電材料技術(shù)

體溫發(fā)電，聽起來如同科幻小說中的情節(jié)，但如今已成為現(xiàn)實。其基本原理是“澤貝克”效應(yīng)，即兩種不同的金屬連接起來構(gòu)成一個閉合回路時，如果兩個連接點的溫度不一樣，就能產(chǎn)生微小的電壓。

早在 2007 年，德國弗朗霍夫集成電路研究所的科學(xué)家就開始探索這項新技術(shù)，他們通過半導(dǎo)體利用溫差來獲取電能。而在 2016 年，美國北卡羅來納州立大學(xué)研究人員發(fā)明的“充電貼”，僅有 2 毫米厚，可以隨意折疊，底層是熱傳導(dǎo)材料能緊緊貼合皮膚，上面覆蓋著防止熱量散失的聚合體材料薄膜，這樣的結(jié)構(gòu)可以“強迫”熱量穿過其中的溫差發(fā)生器，從而將熱量轉(zhuǎn)化為電能。

我國在體溫發(fā)電技術(shù)上的突破

我國的科研團隊在這一領(lǐng)域也取得了顯著進展。2018 年，中科院金屬研究所研制出能夠利用體溫發(fā)電的新材料，這種新材料是不足一指寬、0.1 毫米厚的單片灰色軟質(zhì)薄膜，貼在人體手腕處，所連接的測量電表上立刻顯示出有明顯輸出電壓。

而張倩教授和毛俊教授團隊發(fā)現(xiàn)的鉍化鎂單晶，更是將這一技術(shù)推向了新的高度。碲摻雜的鉍化鎂

（一）可彎折“精靈”——鉍化鎂單晶

突破常規(guī)的柔韌性：鉍化鎂單晶宛如一位靈動的“精靈”，擁有著超乎想象的可彎折、扭曲特性。傳統(tǒng)的單晶材料通常較為脆弱，而鉍化鎂單晶（Mg?Bi?.???Te?.???）的出現(xiàn)打破了這一常規(guī)。

單晶在面內(nèi)方向的熱電功率因子約為 55μW cm?¹ K?²，室溫?zé)犭妰?yōu)值 ZT 約為 0.65。通過對比不同材料的室溫?zé)犭娦阅芘c材料的最大拉伸應(yīng)變，可以發(fā)現(xiàn)鉍化鎂單晶兼具優(yōu)異的塑性與熱電性能，優(yōu)于目前的塑性半導(dǎo)體材料。它能夠在不破裂的情況下，輕松地被彎曲和扭轉(zhuǎn)，展現(xiàn)出了極高的柔韌性。

研究團隊成功制備出了厘米級高品質(zhì)鉍化鎂單晶，這是該突破的關(guān)鍵基石。實驗數(shù)據(jù)表明，鉍化鎂單晶在面內(nèi)方向的壓縮應(yīng)變超過75%，拉伸應(yīng)變更是高達100%，這一數(shù)值相較傳統(tǒng)熱電材料高出了一個數(shù)量級。例如，傳統(tǒng)的熱電材料如 Bi?Te?、PbTe、GeTe 等，其最大壓縮應(yīng)變通常不超過5%，而鉍化鎂單晶的表現(xiàn)遠遠優(yōu)于它們。甚至與部分具有類似晶體結(jié)構(gòu)的金屬材料如鈦、鎂、鋯、鈷和鉿相比，鉍化鎂單晶也毫不遜。

鉍化鎂單晶的獨特之處不僅在于其高應(yīng)變數(shù)值，更在于它可以在室溫下輕松實現(xiàn)彎折、扭曲等多種類型的塑性形變。你可以想象一下，這種單晶就如同柔軟的金屬絲一般，能夠被隨意彎曲成各種形狀，例如被折疊、扭曲或彎曲成顯示“hitsz”的字母，且彎曲樣品的兩端幾乎不受影響，并能保持90°角。同時，進行三點彎曲試驗時，也表明存在局部塑性變形。

使用人體體溫發(fā)電時，當(dāng)體溫與環(huán)境溫度相差 15 攝氏度左右，可實現(xiàn)微瓦——毫瓦量級的發(fā)電量，且發(fā)電效果隨著溫差的增大而提高。特別是當(dāng)人體運動時消耗生物化學(xué)能產(chǎn)生熱量，或是在北方地區(qū)室外年平均溫度低于 20 攝氏度的時候，只要有溫差存在就可以發(fā)電，無論是體溫高于環(huán)境溫度，還是環(huán)境溫度高于體溫。

這種塑性熱電材料可用于開發(fā)柔性熱電器件，在人體體溫發(fā)電與體溫控制等應(yīng)用場景中具有廣闊的前景。例如，利用該材料制成的薄膜電池，即“柔性、可裁剪碲化鉍/纖維素復(fù)合熱電薄膜電池”，將高性能碲化鉍熱電材料與低成本纖維素紙進行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)合，不僅具有優(yōu)異的變形能力，能夠充分貼合復(fù)雜曲率變化的人體體表，還能維持與周圍環(huán)境的溫差，從而提升熱能轉(zhuǎn)換效率，可應(yīng)用于新一代低功耗微系統(tǒng)供電技術(shù)。

(二)塑性熱電材料的突破之旅

關(guān)鍵材料的發(fā)現(xiàn)：歷經(jīng)無數(shù)次的精心篩選和嚴(yán)格測試，如同在浩如煙海的材料世界中探尋稀世珍寶，終于成功發(fā)現(xiàn)了具有卓越性能的新型塑性熱電材料。這種材料獨特的晶體結(jié)構(gòu)和電子能帶分布為實現(xiàn)高效的熱電轉(zhuǎn)換奠定了堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)。

性能的顯著提升：在材料的熱電轉(zhuǎn)換效率、穩(wěn)定性、可加工性等關(guān)鍵性能指標(biāo)方面實現(xiàn)了突破性的飛躍，一舉打破了以往的研究記錄。顯著提高的熱電轉(zhuǎn)換效率，使得從工業(yè)廢熱和環(huán)境熱能中回收更多的電能成為現(xiàn)實；大幅增強的穩(wěn)定性，確保了材料在長期復(fù)雜的工作環(huán)境下依然能保持可靠的性能；顯著改善的可加工性，則為其在大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)和實際應(yīng)用中的廣泛推廣提供了有力保障。

理論與實踐的完美結(jié)合：不僅在基礎(chǔ)理論研究方面取得了具有開創(chuàng)性的重要成果，還成功地將前沿的科研成果轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用。通過與相關(guān)企業(yè)的緊密合作，共同開發(fā)出一系列高性能的熱電轉(zhuǎn)換器件和系統(tǒng)，為推動我國能源領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級提供了強有力的技術(shù)支撐。

未來展望

哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）張倩教授、毛俊教授團隊的這一研究成果，為柔性電子、可穿戴設(shè)備以及生物醫(yī)學(xué)傳感器等領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的可能。隨著對鉍化鎂單晶材料性能的深入研究和優(yōu)化，我們有望看到更多基于該材料的創(chuàng)新應(yīng)用。

然而，科學(xué)的探索永無止境。未來，研究人員還將繼續(xù)努力，進一步提高材料的熱電轉(zhuǎn)換效率，拓展其在更多領(lǐng)域的應(yīng)用。同時，也需要解決實際應(yīng)用中可能面臨的諸多問題，如器件的穩(wěn)定性、耐久性以及與現(xiàn)有技術(shù)的兼容性等。但毫無疑問，這一突破為未來的科技發(fā)展打開了一扇充滿無限可能的大門，讓我們對未來的科技生活充滿了期待。

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