科研
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近年来，随着可穿戴电子器件与生物电子器件的快速发展，如何为柔性可穿戴系统提供兼具高效率、可持续性且高适形性的供能解决方案，成为制约该领域发展的重要技术瓶颈之一。热电器件能够将温差转化为电能，被视为实现可穿戴器件自供电系统的理想候选方案之一。此外，热电器件可通过通电实现制冷，对可穿戴设备制冷具有重要意义。传统无机热电材料（如Bi2Te3、PbTe等）因其优异的热电性能被广泛应用，但其本征脆性与不可拉伸性，使其难以适配柔性可穿戴设备的动态形变需求。尽管有机热电材料具有较好的柔性，但仍面临拉伸后无法回弹、性能衰减、块体材料模量高无法与皮肤共形接触等问题，难以保证在人体运动场景下的持续稳定发电或制冷。因此，开发兼具高效能量转换、持续供能能力和完美适形性的可穿戴热电系统，已成为热电领域亟待突破的重要挑战。
针对上述问题，北京大学材料科学与工程学院雷霆教授团队开发出兼具高热电优值（ZT值）、高拉伸回弹性、低模量的热电弹性体，即“热电橡胶”材料（图1），突破了热电材料“力-电-热”性能难以兼顾的难题，有望实现人体热能的高效捕获与转化，为可穿戴设备的持续自供能和固态制冷开辟了新路径。相关成果以《N型热电弹性体》“N-type thermoelectric elastomers”为题发表于Nature。
图1 N型热电弹性体的构筑策略
三项创新，突破“力-电-热”性能互斥瓶颈
为了实现“热电橡胶”材料，雷霆团队提出了均匀纳米相分离、热激活交联和定向掺杂三项关键策略：
（1）纳米相分离调控：通过使用汉森溶解度参数筛选与共轭高分子匹配的橡胶材料，构建体相均匀分布的半导体高分子纳米纤维网络，可显著提升半导体高分子载流子迁移率（图2a—c）；
（2）热激活交联策略：通过引入偶氮类交联剂，降低体系模量并将两类高分子交联，可使材料获得>850%的超高延展性，并在150%应变下保持90%以上的弹性回复率，媲美传统橡胶（图2d—e）；
（3）定向掺杂策略：通过筛选合适的掺杂剂，实现半导体纳米纤维定向掺杂，提高了掺杂效率，同步提升了电导率和塞贝克系数，并呈现出独特的应变电导率提升特性。
研究发现，以上策略不仅提升了材料力学性能，也大幅提升了热电性能。热电性能提升源于两个方面：一方面纳米相分离结构提升了载流子迁移率，从而提高了电导率和塞贝克系数；另一方面，传统橡胶对共轭高分子的包裹增强了界面传播子散射，降低了材料整体的热导率。最终材料在室温（300K）条件下，热电优值（ZT值）达到了0.49，接近甚至超越现有柔性和塑性无机热电材料的性能（图2f—g）。
图2 （a—c）共轭聚合物N1和绝缘弹性体（a）SEBS，（b）PDMS，（c）PU共混后体相纳米相分离形貌；（d）基于共轭聚合物N1的热电弹性体材料拉伸-回复能力展示；（e）共轭聚合物N1以及基于N1的热电弹性体在不同应变下的拉伸-循环性能（嵌入图为热电弹性体应力-应变曲线）；（f）热电弹性体和文献报道的N型有机热电材料的功率因子对比；（g）热电弹性体和文献报道的柔性/塑性热电材料的ZT值对比
弹性材料集成，实现首个弹性热电模块
基于高性能热电弹性体和可拉伸电极技术，雷霆团队构建了面外π型弹性热电集成模块，并成功实现了人体热能收集与稳定供电（图3）。该模块采用一体化设计，无需传统刚性热电器件的复杂互连结构，即可实现与皮肤表面的自适应共形贴合，同时具备高填充因子和低界面热阻特性。这种结构设计不仅确保了优异的热电转换效率，更在穿戴舒适度和动态形变适应性方面实现了显著突破，为可穿戴电子及生物传感器提供了可持续的能源解决方案。
图3 （a）贴附于人体皮肤上的面外π型弹性热电发电模块；（b）通过有限元模拟分析弹性热电发电机贴附于人体手肘时的应变；（c）面外π型弹性热电发电机利用人体皮肤和环境的温差产生持续的电压
这项研究成果标志着可穿戴能量采集技术的重要进展，通过创新性地高效利用人体热能，为解决柔性电子持续供能难题提供了新方案，同时推动柔性能源采集技术进入“高效率-高适形性”协同发展的新阶段。
博士后刘凯（现任青岛科技大学高分子学院教授）和博士生王静怡是该论文的共同第一作者，雷霆是唯一通讯作者。北京大学为第一完成单位，青岛科技大学为第二完成单位，合作者包括青岛科技大学华静教授团队、中科院化学所刘云圻院士-郭云龙研究员团队、狄重安研究员团队和北京大学裴坚教授团队。该研究工作得到了国家自然科学基金、北京市杰出青年基金、北京大学高性能计算平台、北京大学材料加工与测试中心、北京大学化学与分子工程学院分子材料与纳米加工实验室（MMNL）仪器平台和上海光源等的支持。
本文链接：http://knowith.com/news-3-3557.html材料科学与工程学院雷霆团队在《自然》报道首个“热电橡胶”材料
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