新材料：熱電水凝膠可應用在各類衣物上

　　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發展具有重要意義。

　　由于具有比電子熱電材料高2至3個數量級的熱電壓，以準固態凝膠為代表的熱電水凝膠等離子熱電材料備受關注。

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

　　一種具有優異熱電性能的材料

　　熱電水凝膠是一種具有優異熱電性能的材料，被廣泛應用于熱電轉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。

　　太原理工大學電子信息與光學工程學院張虎林教授介紹，當把熱電水凝膠材料置入有溫度梯度的環境中，材料中氧化還原對的熱伏效應會在材料兩端形成電化學電位差。如果敷設上電極，器件兩端就會產生電極電位差，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法和化學交聯法兩類，具體制備方法常見的有溶膠—凝膠法、電泳法、聚合法等。

　　太原理工大學碩士研究生楊航介紹，她所在的研究團隊目前常用的制備方法為溶膠—凝膠法，即選擇適當的溶劑，將所需的熱電材料溶解其中，形成膠體溶液。在適當的條件下，通過熱處理或者其他方法，將膠體溶液轉化為熱電水凝膠。

　　“聚合法也是一種化學方法，通過在單體溶液中加入交聯劑、引發劑等化學試劑，使其發生自由基聚合反應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生聚合。”楊航說。

　　在日常生活中應用領域十分廣泛

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

　　武漢大學劉抗研究員、胡雪蛟教授團隊曾設計開發了一種智能熱電水凝膠，將該水凝膠薄膜貼覆于發熱元件，一方面可直接將廢熱回收轉化為電能，另一方面，水凝膠內部的水分會快速蒸發帶走熱量，降低器件溫度。同時，當器件停止工作后，水凝膠薄膜又會從周圍的空氣中吸收水分，自發實現往復利用。

　　與此同時，熱電水凝膠還可以應用于溫度傳感器中，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，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速度快、精度高等優點。

　　結合熱電水凝膠的特性，張虎林團隊探索的利用熱電水凝膠實現無源可穿戴運動監測，也是熱電水凝膠具有前景的應用方向之一。

　　該團隊研發的柔性可食用水凝膠敏感單元，可以用來監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。我們預先收集了特定運動模式的信號，例如翻身、抱嬰兒、拍背和鼓掌，并基于這些信號特征開發深度學習算法，可以快速準確識別嬰兒的活動狀態。”張虎林介紹。

　　盡管國內關于無源可穿戴運動監測研究還相對較少，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，為無源可穿戴運動監測提供了無限可能。

　　南開大學馬儒軍教授課題組就曾設計了一種基于拉伸誘導結晶和熱電化學效應的高熱電性能的強韌可拉伸熱電水凝膠，該項研究克服了傳統準固態熱電池力學強度低的限制，同時優化了熱電性能，為設計具備高效熱電轉換以及靈活可靠的可穿戴電子設備提供了可行方案。

　　談及熱電水凝膠材料的發展，張虎林表示信心滿滿。“未來我們將立足于現有的研究成果，結合自身專業特長，不斷提升信號轉換穩定性，開發更適合的信號處理算法，發展一系列無源智能可穿戴器件。相信實現產業化就在不久的將來。”張虎林說。

　　鏈接 新型凝膠可實現光、熱、電的轉換

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

　　團隊人員在傳統熱電水凝膠材料的基礎上，制備了一種光驅動柔性熱電水凝膠貼片。該成果采用了雙層結構，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實現光熱轉換。下層為聚乙烯醇網絡與二價鐵離子/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率。“可見光的波長大概為400納米到800納米，當聚二甲基硅氧烷聚合物網絡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生共振并吸收光子能量，實現光到熱的轉換。”張虎林解釋。

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

　　“保證水分不流失，是提升熱電水凝膠性能穩定性的關鍵。”張虎林表示，目前國內從事熱電水凝膠材料研究的團隊相對較少，可借鑒經驗相對不足。在這項研究中，團隊歷經幾個月的摸索，通過調整材料內在物理化學結構，以及在外部封裝防止水分蒸發兩種方式，降低了材料的失水率。