image: （左上）DLP 3D 打印得到的透明水凝胶骨架和浸泡热电溶液后的立方晶格水凝胶热电池，以及带有微针阵列和花形结构的热电池照片。（右上）关节护套、手环、鞋垫、护膝和额头防护带等多种可穿戴热电池照片。（左下）展示微结构热电池如何提高与不规则热源的实际接触面积的示意图。（右下）在不规则热源不同温度下，微结构热电池在理想贴合（1）和平面热电池失配（2）两种情况下的输出电压对比。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
刷手机、给电器充电、在空调房里走来走去时，周围其实一直在“漏电”——不是电流，而是本可以利用的热。人体表面、充电头、管道和机器外壳不断放出温度不高却源源不断的余热。这些热量分散、温差又小，表面还凹凸不平，传统硬质热电片很难贴紧，更难高效发电。
南开大学研究团队提出一个新思路：用 3D 打印“长”出一批软乎乎的水凝胶热电小贴片，戴在手指、膝盖、鞋垫等位置，甚至给手机充电器“穿外套”，一边舒适贴合，一边把细小温差变成电能。相关成果近日发表在《National Science Review》上。
器件的核心是一种“水凝胶热电池”。它看起来和摸起来像一块湿润的果冻，其网络中含有能够发生可逆氧化还原反应的离子。当水凝胶一侧处于更高温度时，内部离子会发生迁移，并在电极处发生反应，通过外电路中电子的传输产生电压。相比传统固体热电材料，这种水凝胶柔软可拉伸，更适合贴在皮肤和各类弯曲表面。难点在于如何兼顾精细结构和优良热电性能。常规水凝胶 3D 打印需要大量水，易干裂变形；具有热电效应的离子溶液又常与光固化油墨不相容。
为此，团队采用“先搭骨架、后注灵魂”的两步策略：先用数字光处理（DLP）打印技术在深共熔溶剂中高分辨率打印出透明凝胶骨架，再把这块“空骨架”浸泡在热电溶液中，让热电离子缓慢渗入网络，骨架随之被“点亮”。优化后，这种水凝胶热电池在室温附近的热功率可达约 3.5 mV K-1。更重要的是，3D 打印带来的结构自由度，让研究者可以在接触面上刻出微小“脊”和“柱”，像齿轮咬合一样贴合粗糙热源。实验表明，在相同条件下，带微结构的水凝胶输出功率约为平整器件的 3.5 倍，还能将收集人体余热的有效环境温度范围拓宽6 K，让原本“鸡肋”的碎片余热也变得值得回收利用。
为了展示设计的自由，该团队打印了可穿戴的形式，如关节袖、手镯和鞋垫，以适应不同的身体部位。在测试中，这些定制的贴片利用人体和环境间的温差产生的电压，足以用于低功率传感器或与其他收集器结合使用。相同单元的阵列充当简单的电子皮肤，绘制压力和运动图；例如，一种腕带将手指敲击转换成莫尔斯电码脉冲，用于自供电通信。作者希望他们的两步打印策略可以扩展到其他软能源设备，使个性化的3D打印贴片能够悄悄地将日常的热量转化为电能。随着工艺成熟和成本下降，也许每个人都能拥有一套为自己“量体打印”的发电贴片，让身体和日常用品的余热悄然转化成干净电能。
该工作是马儒军教授团队近期关于高性能柔性热电材料与器件的最新进展之一。马儒军教授目前为南开大学材料科学与工程学院智能热管理实验室负责人，近年来在主动/被动制冷材料、柔性热电材料与器件、高性能柔性导热复合材料、能源转换材料与器件等多学科交叉领域取得了一系列重要的研究成果，以通讯或第一作者发表在Science (2篇), Natl. Sci. Rev., PNAS, Nat. Commun. (3篇), Joule (2篇), Chem. Soc. Rev., Adv. Mater. (5篇), Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater. (2篇), Nano Lett. (8篇), ACS Nano (3篇)等国际知名期刊上。实验室拥有先进的材料制备平台以及电学、热学等测试系统，并围绕国家重点研发计划项目等多项课题，展开新能源与智能热管理技术方向的研究。本研究得到了南开大学的大力支持，并受到国家重点研发计划项目（批准号：2020YFA0711500）、国家自然科学基金项目（编号：52473215、52273248、52303238）、天津市自然科学基金重点项目（编号：S24JQU021、QN20230102）以及青年教师科研创新能力支撑项目的资助。