新材料：熱電ヒドロゲルは各種衣類に応用できる

人間の熱エネルギーの利用効率は30%程度であり、大部分の熱は廃熱の形で環境中に散逸し、そのうち2/3の廃熱温度は200℃未満であり、低品位廃熱を効果的に回収することは持続可能な発展に重要な意義がある。

電子熱電材料より2〜3桁高い熱電圧を有することから、準固体ゲルに代表される熱電ヒドロゲルプラズマ熱電材料が注目されている。

熱電ヒドロゲル材料はどのような良好な性能を持っていますか。未来にはどんな応用がありますか。これらの問題を抱えて、記者は関連専門家にインタビューした。

　優れた熱電性能を有する材料

熱電ヒドロゲルは優れた熱電性能を有する材料であり、熱電変換装置や熱電放熱装置などに広く応用されている。可撓性延伸性特性を有するため、人為的に設計することにより、硬軟、薄厚が異なり、色が異なる材料を製造することができ、ひいては皮膚表面と共形に貼り合わせるフィルムを製造することができる。

太原理工大学電子情報・光学工学院の張虎林教授によると、熱電ヒドロゲル材料を温度勾配のある環境に置くと、材料中の酸化還元対の熱伏効果が材料両端に電気化学電位差を形成する。電極を敷設すると、デバイスの両端に電極電位差、すなわち電圧差が生じる。

熱電ヒドロゲルの製造方法は多種多様で、大別すると物理架橋法と化学架橋法の2種類に分けることができて、具体的な製造方法がよく見られるのはゾル−ゲル法、電気泳動法、重合法などがある。

太原理工学大学の修士課程大学院生楊航氏によると、彼女の所属する研究チームが現在よく用いている製造方法はゾル−ゲル法で、つまり適切な溶媒を選択し、必要な熱電材料を溶解し、コロイド溶液を形成する。適切な条件下で、コロイド溶液を熱処理または他の方法により熱電ヒドロゲルに変換する。

「重合法も化学的な方法であり、モノマー溶液に架橋剤、開始剤などの化学試薬を加え、ラジカル重合反応を起こさせることによって熱電ヒドロゲルを形成する。電気泳動の法則はコロイド溶液に通電することによって、印加電場の作用下で重合を発生させる。」楊航説。

　　日常生活における応用分野は非常に広い

熱電ヒドロゲル材料は日常生活の中で多くの応用例があり、例えば熱電発電機は熱電効果を利用して、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する装置である。熱電発電機では、熱電ヒドロゲルは熱電材料として廃熱を電気エネルギーに変換することができる。

武漢大学の劉抗研究員、胡雪蛟教授チームは、このヒドロゲルフィルムを発熱素子に貼り付けるインテリジェント熱電ヒドロゲルを設計、開発したことがある。廃熱を直接回収して電気エネルギーに変換することができる一方、ヒドロゲル内部の水分は急速に蒸発して熱を帯び、デバイス温度を下げることができる。同時に、デバイスが動作を停止すると、ヒドロゲル薄膜は周囲の空気から水分を吸収し、自発的に往復利用を実現する。

同時に、熱電ヒドロゲルは温度を測定するための温度センサにも適用することができる。熱電ヒドロゲルの熱電特性は温度と密接に関係しているため、熱電ヒドロゲルの電圧差を測定することにより温度の変化を決定することができる。この熱電ヒドロゲル系温度センサは応答速度が速く、精度が高いという利点がある。

熱電ヒドロゲルの特性と結びつけて、張虎林チームが探索した熱電ヒドロゲルを利用した受動着用可能な運動モニタリングの実現は、熱電ヒドロゲルの将来性のある応用方向の一つでもある。

チームが開発したフレキシブル食用ヒドロゲル感受性ユニットは、赤ちゃんの体表面の生体圧力を監視するために使用できる。「赤ちゃんの衣類や皮膚にセンサーを取り付け、11個の圧力センサーを胸、手、膝、足、首、背中、腕、お尻などの重点部位にそれぞれカバーしています。寝返り、赤ちゃん抱っこ、背中たたき、拍手など、特定の運動モードの信号を事前に収集し、これらの信号特徴に基づいて深さ学習アルゴリズムを開発し、迅速かつ正確に認識することができます別の赤ちゃんの活動状態。」張虎林の紹介。

国内の受動着用可能運動のモニタリングに関する研究はまだ比較的に少ないが、熱電ヒドロゲル材料は皮膚や衣類に直接貼り付けることができ、敏感ユニットは大きくても小さくてもよく、受動着用可能運動のモニタリングに無限の可能性を提供している。

南開大学の馬儒軍教授の課題チームは、引張誘起結晶と熱電化学効果に基づく高熱電性能の強靭引張可能熱電ヒドロゲルを設計し、この研究は伝統的な準固体熱電池の力学的強度の低い制限を克服し、同時に熱電性エネルギーを最適化し、効率的な熱電変換と柔軟で信頼性の高いウェアラブル電子機器を設計するために実行可能な方案を提供した。

熱電ヒドロゲル材料の発展について、張虎林氏は自信満々だと述べた。「将来的には既存の研究成果に立脚し、自身の専門的特長と結びつけて、信号変換の安定性を絶えず向上させ、より適切な信号処理アルゴリズムを開発し、一連の受動知能ウェアラブルデバイスを発展させる。産業化の実現は近い将来になると信じている」と張虎林氏は述べた。

　新しいゲルをリンクすることで光、熱、電気の変換が可能

先日、太原理工大学電子情報・光学工学院の張虎林教授チームは、ポリビニルアルコール、ポリジメチルシロキサンポリマーネットワークと二価鉄イオン/三価鉄イオンの酸化還元対からなる光駆動フレキシブル熱電ヒドロゲルを製造した。この成果は『化学工学学報』に発表された。

チーム員は伝統的な熱電ヒドロゲル材料に基づいて、光駆動フレキシブル熱電ヒドロゲルパッチを製造した。この成果は2層構造を採用し、上の層はポリジメチルシロキサン重合体から構成され、シリカ被覆金ナノ粒子を組み込み、局所表面プラズモン共鳴効果を利用して光熱変換を実現した。下層はポリビニルアルコールネットワークと2価鉄イオン/3価鉄イオンの酸化還元対からなるフィルムであり、熱伝導率を低下させるためにポリジメチルシロキサンポリマー粒子を組み込んでいる。「可視光の波長は約400ナノメートルから800ナノメートルであり、ポリジメチルシロキサンポリマーネットワーク中の金ナノ粒子表面の電子全体の振動周波数が可視光とほぼ一致すると、可視光との間に共鳴が発生し、光子エネルギーを吸収し、光から熱への変換を実現することができる」と張虎林氏は説明する。

張虎林氏によると、熱電ヒドロゲル材料は有機フレームを除いて、70%以上が水で構成されている。北方などでは、乾燥した気候条件は熱電ヒドロゲル材料を水に落としやすく、熱電変換効率に影響を与えるためである。

「水分が失われないことを保証することは、熱電ヒドロゲルの性能安定性を高める鍵である」と張虎林氏は述べた。現在、国内で熱電ヒドロゲル材料の研究に従事するチームは相対的に少なく、参考経験は相対的に不足している。この研究では、チームは数ヶ月の模索を経て、材料の内在的な物理化学構造を調整し、外部でカプセル化して水分の蒸発を防止する2つの方法を通じて、材料の脱水率を低下させた。