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我国科学家破解可穿戴设备供电难题
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我国科学家破解可穿戴设备供电难题 本报北京8月17日电（记者晋浩天）当你为智能手表频繁充电而烦恼，期待柔性电子设备贴身服务却担忧能量续航时，一项来自北京大学的科研成果带来了突破——材料科学与工程学院雷霆教授团队研发出全球首个兼具柔韧与高效发电能力的“热电橡胶”材料。这项突破直指可穿戴设备持续供能这一世界性难题，为智能手表、健康监测器件等设备装上自给自足的“心脏”铺平了道路。相关成果日前发表于国际学术期刊《自然》。 N型热电弹性体的构筑策略 长久以来，科学家们一直在寻找能为柔性可穿戴设备高效供能的理想方案。雷霆告诉记者，热电器件能将无处不在的温差转化为电能，还能通过通电实现制冷，看似完美，却深陷“刚柔难调”的瓶颈。传统无机热电材料性能虽优，却如同玻璃般脆硬，难以适应人体运动时的弯曲拉伸；而有机材料虽有较好的柔韧性，但常常在拉伸后无法回弹、性能衰减，且模量偏高，难以与皮肤完美贴合。“因此，一直以来，高效能量转换、持续稳定供能与完美适形性，这三大目标如同难以逾越的高峰，成为制约可穿戴技术发展的关键瓶颈。” 面对这一挑战，研究团队以三项创新科研策略，突破了材料“力—电—热”性能难以协同优化的世界级难题。他们首先利用汉森溶解度参数精心筛选，让刚性的半导体高分子与柔性橡胶在微观层面均匀融合，形成遍布材料内部的纳米纤维网络，这既奠定了橡胶柔韧的骨架，又为电流铺设了高效穿梭的通道。 “紧接着，我们创新性引入偶氮类交联剂，如同为材料植入了强大的‘记忆基因’。经此处理，材料获得了惊人的延展性，可拉伸超过原长的850%，且在经历高达150%的拉伸后，能像记忆海绵般恢复90%以上的原状，足以媲美天然橡胶。最后，我们巧妙筛选特殊掺杂剂作为‘性能催化剂’，精准作用于半导体纳米纤维，大幅提升了掺杂效率。更神奇的是，这种材料在拉伸时电导率不降反升，为柔性应用带来了意想不到的优势。”论文共同第一作者刘凯介绍，这三项策略合力催生的“热电橡胶”，不仅柔韧超群，其核心的热电转换效率更实现了质的飞跃——室温下的热电优值达到了令人瞩目的0.49，这一性能接近甚至超越现有的柔性和塑性无机材料。 “其奥秘在于精妙的材料设计：均匀分布的纳米结构显著提升了电荷迁移率，而柔性橡胶对共轭高分子的包裹则有效降低了材料整体的热导率，从而在高效发电的同时也阻隔了热量流失，实现了力、电、热性能的完美平衡。”刘凯说。 基于这一创新性核心材料，研究团队更进一步，构建出全球首个弹性热电模块，成功实现了人体热能收集与稳定供电。“它采用一体化设计，彻底摒弃了传统刚性热电器件复杂的互连结构，使其能与皮肤表面实现无缝的自适应贴合，如同超薄柔韧的‘创可贴’。这种结构设计还能高效捕获人体体温与环境间的微小温差，并将其稳定转化为电能。这不仅为智能手表等可穿戴电子设备提供了可持续的能源，更在穿戴舒适度和动态形变适应性上实现了前所未有的突破。”论文共同第一作者王静怡说。 “如今看来，科幻片中自供电的智能服装已不再是天马行空的想象。”雷霆说，这一中国原创的“热电橡胶”，不仅标志着材料科学的重大突破，将可穿戴能量采集技术推向了“高效—高适形”协同发展的新阶段，更如同一把钥匙，为高效利用我们身边永不枯竭的绿色能源宝库——人体热能打开了大门。 |
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