背景
熱電效應(yīng)，也稱為“溫差電效應(yīng)”，并不是什么新生事物。大約200多年前，德國科學家 Thomas J. Seebeck 就發(fā)現(xiàn)了這種效應(yīng)。簡單說，熱電效應(yīng)是指在特殊材料中，由于溫度差異而產(chǎn)生電壓的過程。一般來說，材料一端較熱，另一端較冷時，電荷載體就會從熱的一端向冷的一端移動，形成電動勢，從而產(chǎn)生電壓。
幾乎所有的技術(shù)和自然過程，都會產(chǎn)生余熱這一副產(chǎn)品，例如：電廠、家用電器、人體等等。余熱是世界上未被充分利用的能源之一，通常來說基本上是被浪費掉了。然而通過熱電效應(yīng)，我們可以將一部分的余熱轉(zhuǎn)化為電能。
德國科學家研發(fā)出新方法：通過鉛筆和紙將熱量轉(zhuǎn)化為電力！
( 圖片來源：Ashutosh Tiwari/猶他大學 ）
之前的文章中，筆者介紹過一些通過熱電發(fā)電的創(chuàng)新案例。下面，讓我們一起回顧一下。
1）美國猶他大學材料科學和工程系教授 Ashutosh Tiwari 領(lǐng)導的團隊利用化學元素鈣、鈷和鋱化合物，制造出高效、廉價、生態(tài)友好的材料，能通過熱電效應(yīng)生產(chǎn)電力。
2）美國佐治亞理工學院研究人員采用柔性導電聚合物和紙張上印刷的新型導電圖案，開發(fā)出一種概念驗證階段的可穿戴熱電發(fā)電機。該熱電發(fā)電機能采集人體熱量，為測量心率、呼吸和其他生理指標的生物傳感器供電。
3）韓國蔚山國立科技大學材料科學和工程學院的教授 Kyoung Jin Choi 領(lǐng)導的團隊開發(fā)出新型可穿戴太陽能熱電發(fā)電機，它通過與衣物、窗戶和建筑物墻壁接觸而產(chǎn)生能量。
4）美國北卡羅萊納州立大學的研究人員為了提高柔性可穿戴設(shè)備中熱電發(fā)電機的性能和效率，采用EGaIn 液態(tài)金屬互連線連接溫差電元件，這些互連線不僅電阻很低，還具有拉伸和自我修復的特性。
不幸地是，雖然熱電效應(yīng)非常值得利用，但它在普通金屬中顯得非常微弱。原因是，金屬不僅具有高度的導電性，也具有高度的導熱性，溫度差異會迅速消失。
因此，熱電材料需要具有低導熱性、高導電性。由無機半導體材料例如碲化鉍制成的熱電裝置，如今已經(jīng)廣泛應(yīng)用于特定的技術(shù)領(lǐng)域。然而，這樣的材料非常昂貴，且只能在特殊情況下應(yīng)用。
為了解決上述問題，筆者曾介紹過日本大阪大學的研究人員與日立公司合作開發(fā)出一種新型無毒的熱電材料：硅化鐿 （YbSi2），YbSi2是無毒的，且具有高導電性、低導熱性，因此可以作為一種理想的熱電發(fā)電材料。
創(chuàng)新
然而，科學界也在研究基于碳納米結(jié)構(gòu)的柔性、無毒、有機材料，并要將這種材料應(yīng)用于人體之上。今天，筆者要為大家介紹一種新方案。
德國海姆霍茲柏林材料所（HZB）教授 Norbert Nickel 領(lǐng)導的科研團隊研究出了一種更加簡便的方法。他們使用了普通的HB鉛筆，在復印紙上涂寫了一小塊面積。然后，他們又采用第二種材料：透明、導電的聚合物涂料（PEDOT: PSS），在復印紙張上涂寫了另外一小塊面積。
德國科學家研發(fā)出新方法：通過鉛筆和紙將熱量轉(zhuǎn)化為電力！
( 圖片來源：HZB ）
技術(shù)
紙張上鉛筆痕跡制造出的電壓，可與其他昂貴許多的納米復合材料制造出的電壓相提并論。目前，這些納米復合材料常用于柔性熱電元件。此外，通過向鉛筆的石墨中添加一些硒化銦，電壓可增加10倍。
在HZB，研究人員通過掃描電子顯微鏡和光譜法（喇曼散射）， 研究了石墨烯和共聚物涂覆的薄膜。Nickel 解釋道：“結(jié)果也讓我們非常驚喜。對于它為什么可以工作得這么好，我們現(xiàn)在找到一種解釋。紙張上的鉛筆痕跡由無序的石墨片、一些石墨烯和黏土組成，它只是稍微降低了導電性，但是卻有效地降低了導熱性?！?/p>
德國科學家研發(fā)出新方法：通過鉛筆和紙將熱量轉(zhuǎn)化為電力！
( 圖片來源：參考資料【2】）
價值
未來，科學家將利用這些簡單的成分在紙張上打印熱電元件，這些熱電元件將非常廉價、環(huán)境友好、無毒。這種小型柔性組件也可直接應(yīng)用于人體，利用人體熱量為小型裝置或者傳感器供電。
