智能手表、智能眼鏡、智能耳機(jī)、智能戒指……隨著智能化腳步的加快，五花八門(mén)的智能穿戴設(shè)備也“卷”出了新花樣，不管“硬件”升級(jí)，還是設(shè)計(jì)“上新”，都面臨著共同的痛點(diǎn)：續(xù)航。

一沒(méi)電就“歇菜”，續(xù)航問(wèn)題成了智能穿戴設(shè)備繞不開(kāi)的“魔咒”。怎樣能讓智能穿戴設(shè)備好用又耐用？不少科學(xué)家絞盡腦汁。

近日，澳大利亞昆士蘭科技大學(xué)教授陳志剛團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種靈活的超薄柔性熱電薄膜，可以將人體熱量轉(zhuǎn)化為電能，甚至有望取代電池，為可穿戴設(shè)備提供源源不斷的電力支持。相關(guān)研究成果發(fā)表于《科學(xué)》。

這項(xiàng)研究也得到了審稿人的高度認(rèn)可。“這是柔性熱電和印刷電子領(lǐng)域的重大進(jìn)展，我相信這項(xiàng)工作將在科學(xué)界和工業(yè)界引起巨大轟動(dòng)。”

1、搭建 “隨身發(fā)電站”

“簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這就像一個(gè)隨身的小型發(fā)電站，利用人體和環(huán)境的溫差發(fā)電，而不再依賴電池或外部充電器。”陳志剛說(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)也能用于智能手機(jī)和電腦芯片的散熱。

想象一下，未來(lái)的智能手環(huán)不僅能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)健康數(shù)據(jù)，還能通過(guò)人體熱量持續(xù)供電，無(wú)需頻繁充電，擺脫續(xù)航焦慮。

其實(shí)，在探索如何利用溫差發(fā)電的領(lǐng)域里，熱電效應(yīng)不是一個(gè)新鮮事物，早已在太空探測(cè)、核能轉(zhuǎn)換、廢熱回收和太陽(yáng)能發(fā)電等各種領(lǐng)域大顯身手。然而，隨著可穿戴電子產(chǎn)品的興起，對(duì)熱電裝置提出了更高要求：靈活、柔性、高效且具有商業(yè)化的潛力。

“傳統(tǒng)的熱電材料通常是脆性的，無(wú)法滿足可穿戴設(shè)備的需求。”陳志剛告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，以無(wú)機(jī)熱電材料為例，被廣泛應(yīng)用于能量轉(zhuǎn)換和熱能管理領(lǐng)域，其中碲化鉍（Bi2Te3）基材料作為室溫區(qū)域最好的熱電材料，其內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)由共價(jià)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(kāi)，不僅影響了材料的機(jī)械性能，而且復(fù)雜且耗能的制備過(guò)程限制了大規(guī)模應(yīng)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(huán)境下，難以有效地轉(zhuǎn)換能量。”陳志剛舉了個(gè)例子，如果把熱電裝置比作小型的“能量轉(zhuǎn)換工廠”，必須要有足夠的溫差作為“燃料”，促進(jìn)熱能向電能的轉(zhuǎn)換。不光如此，熱電材料本身性能也至關(guān)重要——熱電優(yōu)值（ZT值）越高，意味著熱電轉(zhuǎn)換效率越高。

因此，怎樣讓無(wú)機(jī)材料在保持高熱電性能的同時(shí)，兼具柔性特性，以滿足可穿戴設(shè)備小巧便攜、無(wú)感佩戴的必然要求？陳志剛團(tuán)隊(duì)開(kāi)始了漫長(zhǎng)探索。

2、跨學(xué)科找到新解法

“可穿戴設(shè)備的快速發(fā)展對(duì)柔性熱電材料提出了巨大需求，我們?cè)谖迥昵熬完P(guān)注這一領(lǐng)域，努力在性能、柔性和成本之間尋找平衡。”陳志剛說(shuō)。

為了讓碲化鉍的層狀結(jié)構(gòu)更柔韌靈活，研究團(tuán)隊(duì)嘗試了很多種不同的材料作為黏合劑，又測(cè)試了不同的退火工藝，但結(jié)果總是差了那么點(diǎn)“火候”。

在反復(fù)嘗試中，陳志剛意識(shí)到，也許跨學(xué)科合作能破解這一難題。

“只有通過(guò)跨學(xué)科合作，引入不同領(lǐng)域的專家和技術(shù)，才能形成全面的研究體系。”陳志剛說(shuō)，他們分別同材料化學(xué)、物理與工程學(xué)以及化學(xué)與表征技術(shù)等領(lǐng)域的專家攜手合作，不僅開(kāi)發(fā)了新型熱電材料，還和物理學(xué)家一同深入研究了界面效應(yīng)和量子限制效應(yīng)對(duì)薄膜性能的影響。同時(shí)，與化學(xué)家通過(guò)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(xì)致分析了薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系。

這是個(gè)不小的工程量。“在合作過(guò)程中，我們通過(guò)多輪實(shí)驗(yàn)攻克了一個(gè)個(gè)技術(shù)難題。”陳志剛說(shuō)，通過(guò)材料模擬和理論預(yù)測(cè)，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一系列高通量實(shí)驗(yàn)，反復(fù)探索不同成分、厚度和工藝參數(shù)的組合。

除了材料研發(fā)和工藝設(shè)計(jì)外，成本也成了擺在陳志剛團(tuán)隊(duì)面前的難題。

“傳統(tǒng)的熱電材料不僅性能不夠理想，制造工藝也十分復(fù)雜，且高昂的成本極大限制了規(guī)模化應(yīng)用。”陳志剛表示，要讓柔性熱電材料更大范圍普及應(yīng)用，降低成本是必須啃下的“硬骨頭”。

經(jīng)過(guò)材料開(kāi)發(fā)、工藝優(yōu)化、器件組裝和性能測(cè)試四個(gè)階段的漫長(zhǎng)探索，陳志剛團(tuán)隊(duì)終于摸索到了“解法”。

他們通過(guò)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(jié)合絲網(wǎng)印刷和放電等離子燒結(jié)技術(shù)，不僅實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模的薄膜生產(chǎn)，還能將薄膜加熱到接近熔點(diǎn)，使顆粒緊密黏合在一起。以高性能近室溫?zé)犭姴牧享诨G為研究對(duì)象，團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了高柔性和高熱電性能的薄膜制備。

“特別是‘納米黏結(jié)劑’Te納米棒和放電等離子燒結(jié)的結(jié)合使用，不僅確保了薄膜內(nèi)部晶體高取向性，還顯著增強(qiáng)了材料的柔韌性和電性能。”陳志剛興奮地說(shuō)，這也是研究取得突破的關(guān)鍵。

3、協(xié)作和堅(jiān)持是關(guān)鍵

“這個(gè)項(xiàng)目從材料開(kāi)發(fā)到技術(shù)落地，每一步都充滿了挑戰(zhàn)和未知。”回望五年來(lái)的攻關(guān)經(jīng)歷，陳志剛感慨，“團(tuán)隊(duì)的堅(jiān)持和協(xié)作是我們成功的關(guān)鍵。”

在陳志剛回憶里，有一次團(tuán)隊(duì)所有成員連續(xù)加班兩個(gè)多月，先是嘗試了十多種不同材料的“納米黏結(jié)劑”，后又進(jìn)行了多輪實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證和測(cè)試。

“盡管一開(kāi)始的效果都不理想，但大家都沒(méi)放棄。”陳志剛回憶道，每次實(shí)驗(yàn)后，他都會(huì)囑咐團(tuán)隊(duì)成員，一定要通過(guò)表征技術(shù)的方法盡可能收集材料的性能數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析薄膜的熱電性能，包括塞貝克系數(shù)、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率等關(guān)鍵參數(shù)，這些都是評(píng)估材料熱電轉(zhuǎn)換效率的重要指標(biāo)。接著再用機(jī)器學(xué)習(xí)算法分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，挖掘其中的關(guān)鍵變量和優(yōu)化方向。

功夫不負(fù)有心人。通過(guò)多輪實(shí)驗(yàn)反復(fù)優(yōu)化納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研究人員發(fā)現(xiàn)，通過(guò)添加Te棒狀納米結(jié)構(gòu)作為黏合劑，能顯著提高薄膜材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的緊密程度，同時(shí)還建立了能量過(guò)濾屏障，極大優(yōu)化材料的熱電性能。

“我們創(chuàng)造了一種可打印的A4尺寸薄膜，它具有創(chuàng)紀(jì)錄的高熱電性能、卓越的靈活性、可擴(kuò)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(jīng)過(guò)1000次彎曲試驗(yàn)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(chǎng)五年的“馬拉松”終于有了成果。欣喜之余，陳志剛團(tuán)隊(duì)并沒(méi)有停下腳步。

“目前來(lái)看，材料的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和在極端環(huán)境下的表現(xiàn)還有待進(jìn)一步研究。”陳志剛說(shuō)，接下來(lái)團(tuán)隊(duì)還將開(kāi)展一系列深入研究，包括優(yōu)化材料的耐久性，探索其在更復(fù)雜場(chǎng)景中的應(yīng)用。

“此外，我們也考慮將這項(xiàng)技術(shù)延伸到其他熱電材料體系中，比如硒化銀（Ag?Se）等，以實(shí)現(xiàn)更廣泛的功能集成和應(yīng)用場(chǎng)景。”陳志剛說(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)在集成電路領(lǐng)域也有較大應(yīng)用空間，“我們希望將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于低功耗器件的熱管理，以實(shí)現(xiàn)高效、環(huán)保的電子制造”。

相關(guān)論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads5868