新材料：熱電水凝膠可應(yīng)用在各類(lèi)衣物上

　　人類(lèi)對(duì)熱能的利用效率只有30%左右，大部分的熱會(huì)以廢熱的形式在環(huán)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(duì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

　　由于具有比電子熱電材料高2至3個(gè)數(shù)量級(jí)的熱電壓，以準(zhǔn)固態(tài)凝膠為代表的熱電水凝膠等離子熱電材料備受關(guān)注。

　　熱電水凝膠材料具有哪些良好性能?未來(lái)還有哪些應(yīng)用?帶著這些問(wèn)題，記者采訪了相關(guān)專(zhuān)家。

　　一種具有優(yōu)異熱電性能的材料

　　熱電水凝膠是一種具有優(yōu)異熱電性能的材料，被廣泛應(yīng)用于熱電轉(zhuǎn)換器件和熱電散熱器件等。因其具有柔性可拉伸特性，通過(guò)人為設(shè)計(jì)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(xué)電子信息與光學(xué)工程學(xué)院張虎林教授介紹，當(dāng)把熱電水凝膠材料置入有溫度梯度的環(huán)境中，材料中氧化還原對(duì)的熱伏效應(yīng)會(huì)在材料兩端形成電化學(xué)電位差。如果敷設(shè)上電極，器件兩端就會(huì)產(chǎn)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(lián)法和化學(xué)交聯(lián)法兩類(lèi)，具體制備方法常見(jiàn)的有溶膠—凝膠法、電泳法、聚合法等。

　　太原理工大學(xué)碩士研究生楊航介紹，她所在的研究團(tuán)隊(duì)目前常用的制備方法為溶膠—凝膠法，即選擇適當(dāng)?shù)娜軇瑢⑺璧臒犭姴牧先芙馄渲校纬赡z體溶液。在適當(dāng)?shù)臈l件下，通過(guò)熱處理或者其他方法，將膠體溶液轉(zhuǎn)化為熱電水凝膠。

　　“聚合法也是一種化學(xué)方法，通過(guò)在單體溶液中加入交聯(lián)劑、引發(fā)劑等化學(xué)試劑，使其發(fā)生自由基聚合反應(yīng)從而形成熱電水凝膠。而電泳法則是通過(guò)給膠體溶液通電，使其在外加電場(chǎng)的作用下發(fā)生聚合。”楊航說(shuō)。

　　在日常生活中應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛

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

　　武漢大學(xué)劉抗研究員、胡雪蛟教授團(tuán)隊(duì)曾設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種智能熱電水凝膠，將該水凝膠薄膜貼覆于發(fā)熱元件，一方面可直接將廢熱回收轉(zhuǎn)化為電能，另一方面，水凝膠內(nèi)部的水分會(huì)快速蒸發(fā)帶走熱量，降低器件溫度。同時(shí)，當(dāng)器件停止工作后，水凝膠薄膜又會(huì)從周?chē)目諝庵形账郑园l(fā)實(shí)現(xiàn)往復(fù)利用。

　　與此同時(shí)，熱電水凝膠還可以應(yīng)用于溫度傳感器中，用于測(cè)量溫度。由于熱電水凝膠的熱電性能與溫度密切相關(guān)，因此可以通過(guò)測(cè)量熱電水凝膠的電壓差來(lái)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(yīng)速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)。

　　結(jié)合熱電水凝膠的特性，張虎林團(tuán)隊(duì)探索的利用熱電水凝膠實(shí)現(xiàn)無(wú)源可穿戴運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)，也是熱電水凝膠具有前景的應(yīng)用方向之一。

　　該團(tuán)隊(duì)研發(fā)的柔性可食用水凝膠敏感單元，可以用來(lái)監(jiān)測(cè)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(gè)壓強(qiáng)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(diǎn)部位。我們預(yù)先收集了特定運(yùn)動(dòng)模式的信號(hào)，例如翻身、抱嬰兒、拍背和鼓掌，并基于這些信號(hào)特征開(kāi)發(fā)深度學(xué)習(xí)算法，可以快速準(zhǔn)確識(shí)別嬰兒的活動(dòng)狀態(tài)。”張虎林介紹。

　　盡管?chē)?guó)內(nèi)關(guān)于無(wú)源可穿戴運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)研究還相對(duì)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(wú)源可穿戴運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)提供了無(wú)限可能。

　　南開(kāi)大學(xué)馬儒軍教授課題組就曾設(shè)計(jì)了一種基于拉伸誘導(dǎo)結(jié)晶和熱電化學(xué)效應(yīng)的高熱電性能的強(qiáng)韌可拉伸熱電水凝膠，該項(xiàng)研究克服了傳統(tǒng)準(zhǔn)固態(tài)熱電池力學(xué)強(qiáng)度低的限制，同時(shí)優(yōu)化了熱電性能，為設(shè)計(jì)具備高效熱電轉(zhuǎn)換以及靈活可靠的可穿戴電子設(shè)備提供了可行方案。

　　談及熱電水凝膠材料的發(fā)展，張虎林表示信心滿滿。“未來(lái)我們將立足于現(xiàn)有的研究成果，結(jié)合自身專(zhuān)業(yè)特長(zhǎng)，不斷提升信號(hào)轉(zhuǎn)換穩(wěn)定性，開(kāi)發(fā)更適合的信號(hào)處理算法，發(fā)展一系列無(wú)源智能可穿戴器件。相信實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化就在不久的將來(lái)。”張虎林說(shuō)。

　　鏈接 新型凝膠可實(shí)現(xiàn)光、熱、電的轉(zhuǎn)換

　　日前，太原理工大學(xué)電子信息與光學(xué)工程學(xué)院張虎林教授團(tuán)隊(duì)制備了一種光驅(qū)動(dòng)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(wǎng)絡(luò)與二價(jià)鐵離子/三價(jià)鐵離子氧化還原對(duì)組成。該成果發(fā)表在《化學(xué)工程學(xué)報(bào)》上。

　　團(tuán)隊(duì)人員在傳統(tǒng)熱電水凝膠材料的基礎(chǔ)上，制備了一種光驅(qū)動(dòng)柔性熱電水凝膠貼片。該成果采用了雙層結(jié)構(gòu)，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(yīng)實(shí)現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)換。下層為聚乙烯醇網(wǎng)絡(luò)與二價(jià)鐵離子/三價(jià)鐵離子氧化還原對(duì)組成的薄膜，并摻入聚二甲基硅氧烷聚合物顆粒來(lái)降低熱導(dǎo)率。“可見(jiàn)光的波長(zhǎng)大概為400納米到800納米，當(dāng)聚二甲基硅氧烷聚合物網(wǎng)絡(luò)中的金納米顆粒表面電子整體振動(dòng)頻率與可見(jiàn)光大致匹配，可以和可見(jiàn)光之間發(fā)生共振并吸收光子能量，實(shí)現(xiàn)光到熱的轉(zhuǎn)換。”張虎林解釋。

　　張虎林介紹，熱電水凝膠材料除有機(jī)框架之外，70%以上都由水組成。在北方等地區(qū)，因?yàn)楦稍锏臍夂驐l件很容易使熱電水凝膠材料失水，從而影響其熱電轉(zhuǎn)化效率。

　　“保證水分不流失，是提升熱電水凝膠性能穩(wěn)定性的關(guān)鍵。”張虎林表示，目前國(guó)內(nèi)從事熱電水凝膠材料研究的團(tuán)隊(duì)相對(duì)較少，可借鑒經(jīng)驗(yàn)相對(duì)不足。在這項(xiàng)研究中，團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)幾個(gè)月的摸索，通過(guò)調(diào)整材料內(nèi)在物理化學(xué)結(jié)構(gòu)，以及在外部封裝防止水分蒸發(fā)兩種方式，降低了材料的失水率。