果凍是小朋友們喜愛吃的甜點(diǎn)，但是機(jī)器人不吃東西，只需要充電。南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系副教授劉瑋書課題組打破了這個(gè)常識(shí)——研究人員運(yùn)用最新原創(chuàng)性研究，做出了一個(gè)可以發(fā)電的“果凍”。“果凍”主要物質(zhì)是從動(dòng)物骨頭中提取出來的高分子物質(zhì)明膠，不僅可以作為餐桌上的美食，也是重要的工業(yè)原料。
近日，南科大劉瑋書課題組與麻省理工學(xué)院陳剛院士課題組合作在離子型室溫?zé)犭姴牧仙汐@得重大突破，通過離子的擴(kuò)散熵與氧化還原電對(duì)反應(yīng)熵的協(xié)同效應(yīng)在準(zhǔn)固態(tài)離子凝膠中實(shí)現(xiàn)了高達(dá)17 mV/K的巨熱電勢(shì)效應(yīng)（如圖1）。研究成果以First release的形式發(fā)表在頂級(jí)期刊《科學(xué)》（Science）上。
基于Seebeck效應(yīng)的熱電轉(zhuǎn)換材料可以實(shí)現(xiàn)熱能與電能之間的直接相互轉(zhuǎn)換，可為物聯(lián)網(wǎng)體系中的小型傳感器或電子設(shè)備提供可持續(xù)工作的電能。目前，基于傳統(tǒng)電子型的熱電轉(zhuǎn)換材料（e-TE）在室溫環(huán)境下捕獲的能量可以達(dá)到毫瓦級(jí)的輸出功率，但是受半導(dǎo)體電聲輸運(yùn)行為的限制，優(yōu)化的熱電勢(shì)約在200 μV/K左右。為獲得1～5 V的供傳感器正常工作的電壓，該材料需要成千上萬對(duì)n/p熱電對(duì)串聯(lián)，增加了器件的復(fù)雜度和集成度；或者需要外接升壓芯片提高電壓，但會(huì)增加功耗，提高成本。
離子型熱電轉(zhuǎn)換材料具有較高的熱電勢(shì)，產(chǎn)生熱電勢(shì)的形式大體上分為兩種形式：一種是利用離子的熱擴(kuò)散效應(yīng)（Thermodiffusion Effect），即利用溫差下離子定向遷移的濃度差引起的熵變實(shí)現(xiàn)熱到電的轉(zhuǎn)換，這與以電子為能量載體的Seebeck效應(yīng)類似；另一種是利用氧化/還原電對(duì)的溫度效應(yīng)（Thermogalvanic Effect），即利用氧化/還原反應(yīng)過程中的熵變實(shí)現(xiàn)熱到電的轉(zhuǎn)變。該研究工作從實(shí)驗(yàn)和理論兩個(gè)角度闡明了有負(fù)的溫度系數(shù)的thermogalvanic效應(yīng)和p型熱電勢(shì)的thermodiffusion效應(yīng)能夠協(xié)同作用進(jìn)而產(chǎn)生高的p型熱電勢(shì)（如圖2）。
研究人員對(duì)準(zhǔn)固態(tài)離子型熱電轉(zhuǎn)換器件提出了一種新的準(zhǔn)連續(xù)熱充電/放電工作模式，可以使器件循環(huán)運(yùn)行100圈，實(shí)現(xiàn)5小時(shí)的工作時(shí)長(zhǎng)。研究人員將25個(gè)5×5×1.8 mm的準(zhǔn)固態(tài)離子型熱電單元串聯(lián)組裝成柔性可穿戴器件，該器件利用人體溫差實(shí)現(xiàn)高達(dá)2.2 V的電壓和5μW最大輸出功率（如圖3）。該工作以離子為能量載體實(shí)現(xiàn)熱到電的轉(zhuǎn)換，為物聯(lián)網(wǎng)體系中傳感器及電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)所需電能自供給提供了一種選擇。
劉瑋書主要從事室溫?zé)犭姴牧吓c器件的研究。2017年，劉瑋書在為Material Today Physics撰寫的一篇題為“New trends, strategies and opportunities in thermoelectric materials: A perspective”的邀請(qǐng)綜述論文中，提出“Go beyond Seebeck effect”的展望。經(jīng)歷了多次的失敗，劉瑋書課題組終于在“果凍”中找到了靈感，研發(fā)出了以離子為能量載體的新型室溫?zé)犭姴牧稀?/p>
該工作理論方面的突破得到了陳剛院士的重要支持。劉瑋書表示，科學(xué)探索除了需要有面臨挫折時(shí)的堅(jiān)持，還離不開良師益友的指導(dǎo)?！皩?shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)巨熱電效應(yīng)，帶給我們的是短暫的喜悅和一堆疑問，在與研究伙伴反復(fù)推敲，回答陳剛院士提出的一個(gè)個(gè)問題的時(shí)候，才真正體驗(yàn)到研究的意義和魅力：研是動(dòng)手，去探索與發(fā)現(xiàn)；究是動(dòng)腦，去思考窮極真理，格物致知”。
論文第一作者為劉瑋書課題組博士后韓成功，共同第一作者、麻省理工學(xué)院博士后錢鑫對(duì)于論文在協(xié)同效應(yīng)的理論解釋上有重要貢獻(xiàn)。劉瑋書和陳剛為論文通訊作者，南方科技大學(xué)為論文第一通訊單位。論文的參與作者還包括南科大物理系教授張文清、南開大學(xué)教授王衛(wèi)超、香港大學(xué)副教授馮憲平，以及2018級(jí)南科大-港大聯(lián)培博士生李其鍇、2017級(jí)南科大-哈工大聯(lián)培博士生朱永濱、2018級(jí)南科大-哈工大聯(lián)培碩士生鄧彪、北科大訪問學(xué)生韓志佳等。
該工作得到了SUSTech-MIT機(jī)械工程教育與研究中心，廣創(chuàng)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目和騰訊公益基金會(huì)“科學(xué)探索獎(jiǎng)”項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://science.sciencemag.org/content/early/2020/04/29/science.aaz5045/tab-pdf
