柔性热传感器：超灵敏、可印刷！

导读

近日，瑞典林雪平大学有机电子实验室的科学家们开发出一种超灵敏、柔性、透明、可印刷的热传感器。他们的研究成果将广泛应用于从创伤愈合到电子皮肤再到智能建筑的一系列领域。

背景

如今，环境污染与能源危机日益加剧。可是，有一种材料为我们节约能源带来了新希望，这种材料就是：热电材料。说起热电材料，我们不得不先介绍一种特殊的物理现象：热电效应。

简单说，热电效应就是指在特殊材料中，由于温度差异而产生电压的过程。通常来说，材料的一侧较热、另一侧较冷时，电荷载体就会从热的一侧向冷的一侧移动，形成电动势，从而产生电压。

(图片来源：HZB）

热电材料的用途非常广泛。未来，热电材料不仅可以采集人体热量为可穿戴设备供电，还能采集废热为电动汽车提供部分电力，也可以利用飞机机舱内外温差为飞机提供更多电力。

（图片来源：大阪大学）

创新

近日，瑞典林雪平大学有机电子实验室的科学家们开发出一种超灵敏、柔性、透明、可印刷的热传感器。他们的研究成果将广泛应用于从创伤愈合到电子皮肤再到智能建筑的一系列领域。

超灵敏的热传感器（图片来源：Peter Holgersson AB）

林雪平大学有机电子实验室、查尔姆斯理工大学、斯图加特传媒学院和肯塔基大学联合开展的这项研究的成果发表在《自然通信（Nature Communications）》期刊上。

技术

这种超灵敏的热传感器是基于特定的热电材料。然而，在目前的这个项目中，研究人员们开发出一种采用离子而不是电子作为电荷载体的热电材料，其效果要强百倍。

利用电子的热电材料可以产生出100 µV/K（微伏每开尔文），而这种新材料是10 mV/K。该信号要强百倍，也就是说微小的温度差异能产生更强的信号。

林雪平大学研究员、论文三位主要作者之一的 Dan Zhao 发现了这种新材料，即由几种离子聚合物凝胶组成的电解质。部分成分是p型聚合物，其中带正电的离子携带电流。在之前的研究中，这种聚合物非常著名。然而，她也发现高导电的n型聚合物凝胶，其中带负电的离子携带电流。目前为止，这种材料被发现得非常少。

研究员 Dan Zhao 和超灵敏的印刷而成的传感器（图片来源：Peter Holgersson AB）

在之前关于印刷电子所用的电解质凝胶的研究帮助下，现在研究人员们开发出世界上首个印刷而成的热电模块，采用离子作为电荷载体。模块由连接的n型和p型腿组成，腿的数量决定了产生的信号有多强。科学家们基于互异和互补的聚合物，采用丝网印刷技术制造出一种高度灵敏的热传感器。热传感器能将温度差异转化为强烈的信号：一个连接36腿的模块每一开尔文的温度差异可以产生0.333 V的电压。

价值

Dan Zhao 表示：“材料是透明柔性的，并可以用于高度灵敏的产品，这些产品可以被印刷，从而以这种方式应用到大型表面上。这些应用包括伤口愈合（创可贴可以展示出愈合过程的进展）和电子皮肤。”另外一项可能的应用就是智能建筑中的温度交换。

关键字

参考资料

【1】https://liu.se/en/news-item/ny-polymerblandning-ger-superkanslig-varmesensor

【2】Dan Zhao, Anna Martinelli, Andreas Willfahrt, Thomas Fischer, Diana Bernin, Zia Ullah Khan, Maryam Shahi, Joseph Brill, Magnus P. Jonsson, Simone Fabiano, Xavier Crispin. Polymer gels with tunable ionic Seebeck coefficient for ultra-sensitive printed thermopiles. Nature Communications, 2019; 10 (1) DOI: 10.1038/s41467-019-08930-7

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