新材料：熱電ヒドロゲルは各種衣類に応用できる

人間の熱エネルギーの利用効率は30%程度であり、大部分の熱は廃熱の形で環境中に散逸し、そのうち2/3の廃熱溫度は200℃未満であり、低品位廃熱を効果的に回収することは持続可能な発展に重要な意義がある。

電子熱電材料より2?3桁高い熱電圧を有することから、準固體ゲルに代表される熱電ヒドロゲルプラズマ熱電材料が注目されている。

熱電ヒドロゲル材料はどのような良好な性能を持っていますか。未來にはどんな応用がありますか。これらの問題を抱えて、記者は関連専門家にインタビューした。

　優れた熱電性能を有する材料

熱電ヒドロゲルは優れた熱電性能を有する材料であり、熱電変換裝置や熱電放熱裝置などに広く応用されている。可撓性延伸性特性を有するため、人為的に設計することにより、硬軟、薄厚が異なり、色が異なる材料を製造することができ、ひいては皮膚表面と共形に貼り合わせるフィルムを製造することができる。

太原理工大學電子情報?光學工學院の張虎林教授によると、熱電ヒドロゲル材料を溫度勾配のある環境に置くと、材料中の酸化還元対の熱伏効果が材料両端に電気化學電位差を形成する。電極を敷設すると、デバイスの両端に電極電位差、すなわち電圧差が生じる。

熱電ヒドロゲルの製造方法は多種多様で、大別すると物理架橋法と化學架橋法の2種類に分けることができて、具體的な製造方法がよく見られるのはゾル?ゲル法、電気泳動法、重合法などがある。

太原理工學大學の修士課程大學院生楊航氏によると、彼女の所屬する研究チームが現在よく用いている製造方法はゾル?ゲル法で、つまり適切な溶媒を選択し、必要な熱電材料を溶解し、コロイド溶液を形成する。適切な條件下で、コロイド溶液を熱処理または他の方法により熱電ヒドロゲルに変換する。

「重合法も化學的な方法であり、モノマー溶液に架橋剤、開始剤などの化學試薬を加え、ラジカル重合反応を起こさせることによって熱電ヒドロゲルを形成する。電気泳動の法則はコロイド溶液に通電することによって、印加電場の作用下で重合を発生させる。」楊航説。

　　日常生活における応用分野は非常に広い

熱電ヒドロゲル材料は日常生活の中で多くの応用例があり、例えば熱電発電機は熱電効果を利用して、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する裝置である。熱電発電機では、熱電ヒドロゲルは熱電材料として廃熱を電気エネルギーに変換することができる。

武漢大學の劉抗研究員、胡雪蛟教授チームは、このヒドロゲルフィルムを発熱素子に貼り付けるインテリジェント熱電ヒドロゲルを設計、開発したことがある。廃熱を直接回収して電気エネルギーに変換することができる一方、ヒドロゲル內部の水分は急速に蒸発して熱を帯び、デバイス溫度を下げることができる。同時に、デバイスが動作を停止すると、ヒドロゲル薄膜は周囲の空気から水分を吸収し、自発的に往復利用を実現する。

同時に、熱電ヒドロゲルは溫度を測定するための溫度センサにも適用することができる。熱電ヒドロゲルの熱電特性は溫度と密接に関係しているため、熱電ヒドロゲルの電圧差を測定することにより溫度の変化を決定することができる。この熱電ヒドロゲル系溫度センサは応答速度が速く、精度が高いという利點がある。

熱電ヒドロゲルの特性と結びつけて、張虎林チームが探索した熱電ヒドロゲルを利用した受動著用可能な運動モニタリングの実現は、熱電ヒドロゲルの將來性のある応用方向の一つでもある。

チームが開発したフレキシブル食用ヒドロゲル感受性ユニットは、赤ちゃんの體表面の生體圧力を監視するために使用できる。「赤ちゃんの衣類や皮膚にセンサーを取り付け、11個の圧力センサーを胸、手、膝、足、首、背中、腕、お尻などの重點部位にそれぞれカバーしています。寢返り、赤ちゃん抱っこ、背中たたき、拍手など、特定の運動モードの信號を事前に収集し、これらの信號特徴に基づいて深さ學習アルゴリズムを開発し、迅速かつ正確に認識することができます別の赤ちゃんの活動狀態。」張虎林の紹介。

國內の受動著用可能運動のモニタリングに関する研究はまだ比較的に少ないが、熱電ヒドロゲル材料は皮膚や衣類に直接貼り付けることができ、敏感ユニットは大きくても小さくてもよく、受動著用可能運動のモニタリングに無限の可能性を提供している。

南開大學の馬儒軍教授の課題チームは、引張誘起結晶と熱電化學効果に基づく高熱電性能の強靭引張可能熱電ヒドロゲルを設計し、この研究は伝統的な準固體熱電池の力學的強度の低い制限を克服し、同時に熱電性エネルギーを最適化し、効率的な熱電変換と柔軟で信頼性の高いウェアラブル電子機器を設計するために実行可能な方案を提供した。

熱電ヒドロゲル材料の発展について、張虎林氏は自信満々だと述べた。「將來的には既存の研究成果に立腳し、自身の専門的特長と結びつけて、信號変換の安定性を絶えず向上させ、より適切な信號処理アルゴリズムを開発し、一連の受動知能ウェアラブルデバイスを発展させる。産業化の実現は近い將來になると信じている」と張虎林氏は述べた。

　新しいゲルをリンクすることで光、熱、電気の変換が可能

先日、太原理工大學電子情報?光學工學院の張虎林教授チームは、ポリビニルアルコール、ポリジメチルシロキサンポリマーネットワークと二価鉄イオン/三価鉄イオンの酸化還元対からなる光駆動フレキシブル熱電ヒドロゲルを製造した。この成果は『化學工學學報』に発表された。

チーム員は伝統的な熱電ヒドロゲル材料に基づいて、光駆動フレキシブル熱電ヒドロゲルパッチを製造した。この成果は2層構造を採用し、上の層はポリジメチルシロキサン重合體から構成され、シリカ被覆金ナノ粒子を組み込み、局所表面プラズモン共鳴効果を利用して光熱変換を実現した。下層はポリビニルアルコールネットワークと2価鉄イオン/3価鉄イオンの酸化還元対からなるフィルムであり、熱伝導率を低下させるためにポリジメチルシロキサンポリマー粒子を組み込んでいる。「可視光の波長は約400ナノメートルから800ナノメートルであり、ポリジメチルシロキサンポリマーネットワーク中の金ナノ粒子表面の電子全體の振動周波數が可視光とほぼ一致すると、可視光との間に共鳴が発生し、光子エネルギーを吸収し、光から熱への変換を実現することができる」と張虎林氏は説明する。

張虎林氏によると、熱電ヒドロゲル材料は有機フレームを除いて、70%以上が水で構成されている。北方などでは、乾燥した気候條件は熱電ヒドロゲル材料を水に落としやすく、熱電変換効率に影響を與えるためである。

「水分が失われないことを保証することは、熱電ヒドロゲルの性能安定性を高める鍵である」と張虎林氏は述べた。現在、國內で熱電ヒドロゲル材料の研究に従事するチームは相対的に少なく、參考経験は相対的に不足している。この研究では、チームは數ヶ月の模索を経て、材料の內在的な物理化學構造を調整し、外部でカプセル化して水分の蒸発を防止する2つの方法を通じて、材料の脫水率を低下させた。