可穿戴裝置可直接將人體熱量轉(zhuǎn)化為電能

手機(jī)、電器和人類都會(huì)產(chǎn)生熱量，不過(guò)，這些熱量通常會(huì)作為垃圾能量“泄漏”到環(huán)境中。熱電發(fā)電機(jī)將溫差轉(zhuǎn)換為電能，是一種把浪費(fèi)的熱量利用起來(lái)用于發(fā)電的方法。

研究人員現(xiàn)在已經(jīng)制造出一種熱電發(fā)電機(jī)（TEG），它柔軟且有彈性，在暴露于環(huán)境中時(shí)可以完全生物降解。與傳統(tǒng)的剛性熱電器件不同，《科學(xué)進(jìn)展》雜志報(bào)道的這種熱電器件可以很容易地集成到織物中，從而允許使用身體熱量驅(qū)動(dòng)的可穿戴傳感器或溫度檢測(cè)的一次性面罩。

在TEG中，熱區(qū)和冷區(qū)之間的電荷流動(dòng)產(chǎn)生電壓差，從而產(chǎn)生電。熱電發(fā)電機(jī)使用不同的材料以不同的方式制造。它們通常由保持冷的一側(cè)組成，而另一側(cè)與發(fā)熱部件接觸，無(wú)論是電機(jī)還是身體。

由于TEG是固態(tài)設(shè)備，沒(méi)有移動(dòng)部件，因此維護(hù)成本低，壽命長(zhǎng)。到目前為止，他們依賴于昂貴或有毒的半導(dǎo)體材料，如碲化鉍和碲化鉛，主要用于航天器和衛(wèi)星等利基應(yīng)用。

研究人員一直在努力降低成本，提高TEG的效率。最近，一個(gè)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種創(chuàng)造熱電的方法，將太陽(yáng)的溫暖與空間的寒冷相結(jié)合，將一種向外層空間輻射熱量的材料放在一種從周圍空氣中吸收熱量的材料上。

然而，韓國(guó)光州科學(xué)技術(shù)院電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)教授Young Min Song表示，迄今為止用于制造TEG的材料和設(shè)計(jì)“可能會(huì)導(dǎo)致一種復(fù)雜而低效的TEG，體積龐大，難以與其他部件配合”。

Song和同事決定放棄傳統(tǒng)的自上而下的堆疊方法。相反，他們使用斑馬條紋的圖案，在表面上創(chuàng)建彼此相鄰的冷熱區(qū)域，以產(chǎn)生足夠大的面內(nèi)溫差，從而產(chǎn)生電力。

他們從一種白色的薄片開(kāi)始，該薄片由一種可拉伸且可生物降解的聚合物制成，稱為己內(nèi)酯（caprolactone），通常用于外科植入物和藥物輸送裝置。這種材料反射太陽(yáng)光，是強(qiáng)烈的紅外熱發(fā)射器。研究人員在這張紙上涂上規(guī)則間隔的黑色聚合物條，這種聚合物吸收陽(yáng)光并反射紅外輻射。黑白相間的條紋在可拉伸材料上形成冷熱區(qū)域。

研究人員將條紋片放在他們所稱的硅納米膜上。這種納米級(jí)薄膜是由數(shù)根n和p摻雜的硅線組成的陣列，研究人員在硅片上以蛇形圖案生長(zhǎng)，然后轉(zhuǎn)移到由己內(nèi)酯酯制成的薄片上。這些電線的波浪形結(jié)構(gòu)有助于它們伸展而不斷裂。

當(dāng)研究人員將該設(shè)備放置在室外進(jìn)行測(cè)試時(shí)，白色部分的溫度比環(huán)境溫度低8°C，而黑色部分的溫度則比環(huán)境空氣高14°C，從而產(chǎn)生22°C的最大溫差。硅導(dǎo)線將這種溫差轉(zhuǎn)換為電能，產(chǎn)生的最大功率約為每平方米6微瓦（μW/m2）。

Song表示，這足以用來(lái)操作低功耗傳感器，但他也承認(rèn)這低于商業(yè)應(yīng)用的理想值。使用更具熱電效率的材料，如碲化鉍，將提高功率輸出，但這里的優(yōu)勢(shì)是該設(shè)備成本低、可拉伸且完全可生物降解。Song說(shuō)：“即使樣品拉伸了約1.3倍，發(fā)電性能仍保持不變。”

在實(shí)驗(yàn)室中，當(dāng)將裝置置于鹽水溶液中時(shí)，它在35天內(nèi)完全溶解成無(wú)害的副產(chǎn)物。Song說(shuō)，該過(guò)程在自然環(huán)境中需要更長(zhǎng)的時(shí)間。

審核編輯 ：李倩