AFM: 仿生結構用于人體熱管理的可穿戴熱電器件

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通訊作者：侯成義、李耀剛、王宏志；通訊單位：東華大學；

DOI: 10.1002/adfm.202402319

全文概述

皮膚是人體面向外界環境的多功能窗口，它不僅是人體抵御有害物質的保護屏障，也是感知和與周圍環境互動的生物傳感器。盡管皮膚非常重要，但其自我調節能力有限，尤其是體溫調節能力，在高溫和消防安全等不斷變化和苛刻的場景中可能會出現問題。個人熱管理器件集成環境感知、溫度調節和能量捕獲等功能，可以有效幫助人體應對極端的外部環境。在所有熱管理解決方案的替代方案中，可穿戴熱電器件因其可靠的溫度感知和雙向熱電轉換能力，已經被認為具備優異的人體熱管理能力。

近日，東華大學先進功能材料課題組（AFMG）受刺猬皮毛結構啟發設計了一種新型的可穿戴熱電器件，同時具備溫度感知、人體熱能捕獲以及通電制冷能力。該工作中，研究人員將室溫高熱電性能的Bi-Te基材料通過蛇形電極集成到彈性硅基地中，制備的仿“刺-皮膚”結構器件具備優異的熱管理能力。相關成果以“Bioinspired Wearable Thermoelectric Device Constructed?with Soft-Rigid Assembly for Personal Thermal Management”發表在知名期刊《Advanced?Functional Materials》上。東華大學侯成義研究員、李耀剛教授和王宏志教授為論文共同通訊作者

東華大學AFMG課題組多年來扎根于柔性熱電材料和器件的研發，現已發表多項研究成果。在前期的研究中，研究人員已經成功構筑n型和p型全無機復合熱電材料（Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1900304），p-n分段的熱電紗線（Chem. Eng. J. 2023, 453, 139749； ACS?Appl. Mater. Interfaces?2020, 12, 33297）。另外，基于全碳結構構筑高密度集成柔性熱電器件（Nano?Energy 2021, 89, 106487），并通過水凝膠打印策略在不同基底上構筑圖案化熱電器件（Nanoscale, 2022,14,16857）。

圖文數據

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圖1. 生物結構啟發的可穿戴熱電器件。（a，b） 刺猬的皮毛結構；（c）仿刺猬皮毛結構的熱電器件結構示意圖；（d-f）所制備器件在不同形態下的照片

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圖2.仿生結構熱電器件的應用。（a，b） 人體穿戴演示；（c）捕獲人體熱能產生的電壓密度；（d）對人體觸碰及呼氣的感知應用；（e）通電制冷效果；（f）穿戴于手臂時的制冷效果；（g, h）穿戴時不同風速下的制冷效果。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202402319