本報(bào)北京8月17日電（記者晉浩天）當(dāng)你為智能手表頻繁充電而煩惱，期待柔性電子設(shè)備貼身服務(wù)卻擔(dān)憂能量續(xù)航時(shí)，一項(xiàng)來自北京大學(xué)的科研成果帶來了突破——材料科學(xué)與工程學(xué)院雷霆教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)出全球首個(gè)兼具柔韌與高效發(fā)電能力的“熱電橡膠”材料。這項(xiàng)突破直指可穿戴設(shè)備持續(xù)供能這一世界性難題，為智能手表、健康監(jiān)測(cè)器件等設(shè)備裝上自給自足的“心臟”鋪平了道路。相關(guān)成果日前發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然》。
N型熱電彈性體的構(gòu)筑策略
長(zhǎng)久以來，科學(xué)家們一直在尋找能為柔性可穿戴設(shè)備高效供能的理想方案。雷霆告訴記者，熱電器件能將無處不在的溫差轉(zhuǎn)化為電能，還能通過通電實(shí)現(xiàn)制冷，看似完美，卻深陷“剛?cè)犭y調(diào)”的瓶頸。傳統(tǒng)無機(jī)熱電材料性能雖優(yōu)，卻如同玻璃般脆硬，難以適應(yīng)人體運(yùn)動(dòng)時(shí)的彎曲拉伸；而有機(jī)材料雖有較好的柔韌性，但常常在拉伸后無法回彈、性能衰減，且模量偏高，難以與皮膚完美貼合。“因此，一直以來，高效能量轉(zhuǎn)換、持續(xù)穩(wěn)定供能與完美適形性，這三大目標(biāo)如同難以逾越的高峰，成為制約可穿戴技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。”
面對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)以三項(xiàng)創(chuàng)新科研策略，突破了材料“力—電—熱”性能難以協(xié)同優(yōu)化的世界級(jí)難題。他們首先利用漢森溶解度參數(shù)精心篩選，讓剛性的半導(dǎo)體高分子與柔性橡膠在微觀層面均勻融合，形成遍布材料內(nèi)部的納米纖維網(wǎng)絡(luò)，這既奠定了橡膠柔韌的骨架，又為電流鋪設(shè)了高效穿梭的通道。
“緊接著，我們創(chuàng)新性引入偶氮類交聯(lián)劑，如同為材料植入了強(qiáng)大的‘記憶基因’。經(jīng)此處理，材料獲得了驚人的延展性，可拉伸超過原長(zhǎng)的850%，且在經(jīng)歷高達(dá)150%的拉伸后，能像記憶海綿般恢復(fù)90%以上的原狀，足以媲美天然橡膠。最后，我們巧妙篩選特殊摻雜劑作為‘性能催化劑’，精準(zhǔn)作用于半導(dǎo)體納米纖維，大幅提升了摻雜效率。更神奇的是，這種材料在拉伸時(shí)電導(dǎo)率不降反升，為柔性應(yīng)用帶來了意想不到的優(yōu)勢(shì)。”論文共同第一作者劉凱介紹，這三項(xiàng)策略合力催生的“熱電橡膠”，不僅柔韌超群，其核心的熱電轉(zhuǎn)換效率更實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍——室溫下的熱電優(yōu)值達(dá)到了令人矚目的0.49，這一性能接近甚至超越現(xiàn)有的柔性和塑性無機(jī)材料。
“其奧秘在于精妙的材料設(shè)計(jì)：均勻分布的納米結(jié)構(gòu)顯著提升了電荷遷移率，而柔性橡膠對(duì)共軛高分子的包裹則有效降低了材料整體的熱導(dǎo)率，從而在高效發(fā)電的同時(shí)也阻隔了熱量流失，實(shí)現(xiàn)了力、電、熱性能的完美平衡。”劉凱說。
基于這一創(chuàng)新性核心材料，研究團(tuán)隊(duì)更進(jìn)一步，構(gòu)建出全球首個(gè)彈性熱電模塊，成功實(shí)現(xiàn)了人體熱能收集與穩(wěn)定供電。“它采用一體化設(shè)計(jì)，徹底摒棄了傳統(tǒng)剛性熱電器件復(fù)雜的互連結(jié)構(gòu)，使其能與皮膚表面實(shí)現(xiàn)無縫的自適應(yīng)貼合，如同超薄柔韌的‘創(chuàng)可貼’。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還能高效捕獲人體體溫與環(huán)境間的微小溫差，并將其穩(wěn)定轉(zhuǎn)化為電能。這不僅為智能手表等可穿戴電子設(shè)備提供了可持續(xù)的能源，更在穿戴舒適度和動(dòng)態(tài)形變適應(yīng)性上實(shí)現(xiàn)了前所未有的突破。”論文共同第一作者王靜怡說。
“如今看來，科幻片中自供電的智能服裝已不再是天馬行空的想象。”雷霆說，這一中國原創(chuàng)的“熱電橡膠”，不僅標(biāo)志著材料科學(xué)的重大突破，將可穿戴能量采集技術(shù)推向了“高效—高適形”協(xié)同發(fā)展的新階段，更如同一把鑰匙，為高效利用我們身邊永不枯竭的綠色能源寶庫——人體熱能打開了大門。
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