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體溫變電能，中國(guó)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(lái)源：賢集網(wǎng) 更新時(shí)間：2024-07-29 09:27:04
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想象一下，我們的體溫能夠轉(zhuǎn)化為電能，為生活帶來(lái)無(wú)盡的便利。這曾經(jīng)是一個(gè)遙不可及的夢(mèng)想，但中國(guó)科學(xué)家們讓它逐漸走向了現(xiàn)實(shí)。 神奇的人體體溫發(fā)電材料技術(shù) 體溫發(fā)電，聽(tīng)起來(lái)如同科幻小說(shuō)中的情節(jié)，但如今已成為現(xiàn)實(shí)。其基本原理是“澤貝克”效應(yīng)，即兩種不同的金屬連接起來(lái)構(gòu)成一個(gè)閉合回路時(shí)，如果兩個(gè)連接點(diǎn)的溫度不一樣，就能產(chǎn)生微小的電壓。 早在 2007 年，德國(guó)弗朗霍夫集成電路研究所的科學(xué)家就開(kāi)始探索這項(xiàng)新技術(shù)，他們通過(guò)半導(dǎo)體利用溫差來(lái)獲取電能。而在 2016 年，美國(guó)北卡羅來(lái)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(qiáng)迫”熱量穿過(guò)其中的溫差發(fā)生器，從而將熱量轉(zhuǎn)化為電能。  我國(guó)在體溫發(fā)電技術(shù)上的突破 我國(guó)的科研團(tuán)隊(duì)在這一領(lǐng)域也取得了顯著進(jìn)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(cè)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(tuán)隊(duì)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(dòng)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(guò)對(duì)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(tuán)隊(duì)成功制備出了厘米級(jí)高品質(zhì)鉍化鎂單晶，這是該突破的關(guān)鍵基石。實(shí)驗(yàn)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(guò)75%，拉伸應(yīng)變更是高達(dá)100%，這一數(shù)值相較傳統(tǒng)熱電材料高出了一個(gè)數(shù)量級(jí)。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(guò)5%，而鉍化鎂單晶的表現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于它們。甚至與部分具有類(lèi)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(dú)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(shí)現(xiàn)彎折、扭曲等多種類(lèi)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(shí)，進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)時(shí)，也表明存在局部塑性變形。  使用人體體溫發(fā)電時(shí)，當(dāng)體溫與環(huán)境溫度相差 15 攝氏度左右，可實(shí)現(xiàn)微瓦——毫瓦量級(jí)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(yùn)動(dòng)時(shí)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(shí)候，只要有溫差存在就可以發(fā)電，無(wú)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(kāi)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(chǎng)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(jìn)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?chē)h(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(wú)數(shù)次的精心篩選和嚴(yán)格測(cè)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(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)和電子能帶分布為實(shí)現(xiàn)高效的熱電轉(zhuǎn)換奠定了堅(jiān)實(shí)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(shí)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(shí)；大幅增強(qiáng)的穩(wěn)定性，確保了材料在長(zhǎng)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(shí)際應(yīng)用中的廣泛推廣提供了有力保障。 理論與實(shí)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(kāi)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(shí)際應(yīng)用。通過(guò)與相關(guān)企業(yè)的緊密合作，共同開(kāi)發(fā)出一系列高性能的熱電轉(zhuǎn)換器件和系統(tǒng)，為推動(dòng)我國(guó)能源領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級(jí)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。 未來(lái)展望 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）張倩教授、毛俊教授團(tuán)隊(duì)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(duì)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(wú)止境。未來(lái)，研究人員還將繼續(xù)努力，進(jìn)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(shí)，也需要解決實(shí)際應(yīng)用中可能面臨的諸多問(wèn)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(wú)疑問(wèn)，這一突破為未來(lái)的科技發(fā)展打開(kāi)了一扇充滿無(wú)限可能的大門(mén)，讓我們對(duì)未來(lái)的科技生活充滿了期待。 原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_553434.html 來(lái)源：賢集網(wǎng) 著作權(quán)歸作者所有。商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系作者獲得授權(quán)，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。 |
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