體溫就能充電！可穿戴設備告別“續航焦慮”

　　智能手表、智能眼鏡、智能耳機、智能戒指……隨著智能化腳步的加快，五花八門的智能穿戴設備也“卷”出了新花樣，不管“硬件”升級，還是設計“上新”，都面臨著共同的痛點：續航。

　　一沒電就“歇菜”，續航問題成了智能穿戴設備繞不開的“魔咒”。怎樣能讓智能穿戴設備好用又耐用？不少科學家絞盡腦汁。

　　近日，澳大利亞昆士蘭科技大學教授陳志剛團隊開發出一種靈活的超薄柔性熱電薄膜，可以將人體熱量轉化為電能，甚至有望取代電池，為可穿戴設備提供源源不斷的電力支持，相關研究成果發表于《科學》。

　　這項研究也得到了審稿人的高度認可，“這是柔性熱電和印刷電子領域的重大進展，我相信這項工作將在科學界和工業界引起巨大轟動。”

　　搭建“隨身發電站”

　　“簡單來說，這就像一個隨身的小型發電站，利用人體和環境的溫差發電，而不再依賴電池或外部充電器。”陳志剛說，這項技術也能用于智能手機和電腦芯片的散熱。

　　想象一下，未來的智能手環不僅能實時監測健康數據，還能通過人體熱量持續供電，無需頻繁充電，擺脫續航焦慮。

　　其實，在探索如何利用溫差發電的領域里，熱電效應不是一個新鮮事，早已在太空探測、核能轉換、廢熱回收和太陽能發電等各種領域大顯身手。然而，隨著可穿戴電子產品的興起，對熱電裝置提出了更高要求：靈活、柔性、高效且具有商業化的潛力。

　　“傳統的熱電材料通常是脆性的，無法滿足可穿戴設備的需求。”陳志剛告訴《中國科學報》，以無機熱電材料為例，被廣泛應用于能量轉換和熱能管理領域，其中碲化鉍（Bi2Te3）基材料作為室溫區域最好的熱電材料，其內部晶體結構由共價鍵或離子鍵連接，但層與層之間則由較弱的范華德力“粘”在一起，容易在外力作用下裂開，不僅影響了材料的機械性能，而且復雜且耗能的制備過程限制了大規模應用的潛力。

　　此外，熱電裝置的效率和性能受到多重因素影響。“此前研究中，熱電裝置的性能往往不夠理想，尤其是在低溫環境下，難以有效地轉換能量。”陳志剛舉了個例子，如果把熱電裝置比作小型的“能量轉換工廠”，必須要有足夠的溫差作為“燃料”，促進熱能向電能的轉換。不光如此，熱電材料本身性能也至關重要——熱電優值（ZT值）越高，意味著熱電轉換效率越高。

　　因此，怎樣讓無機材料在保持高熱電性能的同時，兼具柔性特性，以滿足可穿戴設備小巧便攜、無感佩戴的必然要求？陳志剛團隊開始了漫長探索。

　　跨學科找到新解法

　　“可穿戴設備的快速發展對柔性熱電材料提出了巨大需求，我們在五年前就關注這一領域，努力在性能、柔性和成本之間尋找平衡。”陳志剛說。

　　為了讓碲化鉍的層狀結構更柔韌靈活，研究團隊嘗試了很多種不同的材料作為粘合劑，又測試了不同的退火工藝，但結果總是差了那么點“火候”。

　　在反復嘗試中，陳志剛意識到，也許跨學科合作能破解這一難題。

　　“只有通過跨學科合作，引入不同領域的專家和技術，才能形成全面的研究體系。”陳志剛說，他們分別和材料化學、物理與工程學和化學與表征技術等領域的專家攜手合作，不僅開發了新型熱電材料，還和物理學家一同深入研究了界面效應和量子限制效應對薄膜性能的影響。同時，與化學家通過原子力顯微鏡（AFM）、透射電子顯微鏡（TEM）和X射線衍射（XRD）等表征手段，深入細致分析了薄膜的微觀結構和性能關系。

　　這是個不小的工程量。“在合作過程中，我們通過多輪實驗攻克了一個個技術難題。”陳志剛說，通過材料模擬和理論預測，團隊設計了一系列高通量實驗，反復探索不同成分、厚度和工藝參數的組合。

　　除了材料研發和工藝設計外，成本也成了擺在陳志剛團隊面前的難題。

　　“傳統的熱電材料不僅性能不夠理想，制造工藝也十分復雜，高昂的成本也極大限制了規模化應用。”陳志剛表示，要讓柔性熱電材料更大范圍普及應用，降低成本是必須啃下的“硬骨頭”。

　　經過材料開發、工藝優化、器件組裝和性能測試四個階段的漫長探索，陳志剛團隊終于摸索到了“解法”。

　　他們通過溶劑熱法，即便是高溫高壓條件下，溶劑中也能順利形成納米晶體，并結合絲網印刷和放電等離子燒結技術，不僅實現了大規模的薄膜生產，還能將薄膜加熱到接近熔點，使顆粒緊密粘合在一起。以高性能近室溫熱電材料Bi2Te3為研究對象，團隊成功實現了高柔性和高熱電性能的薄膜制備。

　　“特別是‘納米粘接劑’Te納米棒和放電等離子燒結的結合使用，不僅確保了薄膜內部晶體高取向性，還顯著增強了材料的柔韌性和電性能。”陳志剛興奮地說，這也是研究取得突破的關鍵。

　　協作和堅持是關鍵

　　“這個項目從材料開發到技術落地，每一步都充滿了挑戰和未知。”回望五年來的攻關經歷，陳志剛感慨，“團隊的堅持和協作是我們成功的關鍵。”

　　在陳志剛回憶里，有一次團隊所有成員連續加班了兩個多月，先是嘗試了十多種不同材料的“納米粘接劑”，又進行了多輪實驗的驗證和測試。

　　“盡管一開始的效果都不理想，但大家都沒放棄。”陳志剛回憶道，每次實驗后，他都會囑咐團隊成員，一定要通過表征技術的方法盡可能收集材料的性能數據，進一步分析薄膜的熱電性能，包括塞貝克系數、電導率和熱導率等關鍵參數，這些都是評估材料熱電轉換效率的重要指標。接著再用機器學習算法分析實驗數據，挖掘其中的關鍵變量和優化方向。

　　功夫不負有心人，通過多輪實驗反復優化納米結構設計，研究人員發現，通過添加Te棒狀納米結構作為粘合劑，能顯著提高薄膜材料內部結構的緊密程度，同時還建立了能量過濾屏障，極大優化材料的熱電性能。

　　“我們創造了一種可打印的A4尺寸薄膜，它具有創紀錄的高熱電性能、卓越的靈活性、可擴展性和低成本，是目前最好的柔性熱電材料之一。”陳志剛驕傲地表示，經過1000次彎曲試驗后，材料性能損失僅為5%，顯示出極高的可靠性和柔韌性。

　　這場五年的“馬拉松”終于有了成果，欣喜之余，陳志剛團隊并沒有停下腳步。

　　“目前來看，材料的長期穩定性和在極端環境下的表現還有待進一步研究。”陳志剛說，接下來團隊還將開展一系列深入研究，包括優化材料的耐久性，探索其在更復雜場景中的應用。

　　“此外，我們也考慮將這項技術延伸到其他熱電材料體系中，比如硒化銀（Ag?Se）等，以實現更廣泛的功能集成和應用場景。”陳志剛說，這項技術在集成電路領域也有較大應用空間，“我們希望能將這項技術應用于低功耗器件的熱管理，進一步推動高效、環保的電子制造。”

　　相關論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads5868