《Science》：ISTA研究人員3D打印高性能、可持續(xù)熱電材料

導讀：快速、局部的熱電制冷器（TECs）對于電子設備至關重要，應用范圍廣泛，從可穿戴材料到燒傷治療。雖然所謂的熱電材料可以將溫差轉換為電壓，但在效率和制造可擴展性方面仍面臨挑戰(zhàn)。

2025年2月24日，南極熊獲悉，來自奧地利科學技術研究所（ISTA）Maria Ibáñez教授和Shengduo Xu博士等人通過采用基于擠出的3D打印技術來制造高性能熱電材料，解決了這些挑戰(zhàn)。據(jù)悉，新的制造方法可大大降低生產(chǎn)成本，同時保持與傳統(tǒng)方法相當?shù)男阅堋?/div>

△研究團隊來自 ISTA 實驗室。從左到右：能源科學聯(lián)合教授兼沃納西門子熱電實驗室負責人 Maria Ibáñez、Abayomi Lawal、第一作者 Shengduo Xu 和 Sharona Horta。© ISTA

相關論文以題為“Interfacial bonding enhancesthermoelectric cooling in 3D-printed materials.”的論文發(fā)表《Science》雜志。項目得到了奧地利科學技術研究所 (ISTA) 和沃納西門子基金會的資助。

論文鏈接： https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads0426

熱電冷卻器，也稱為固態(tài)制冷器，可通過電流將熱量從設備的一側傳遞到另一側，從而實現(xiàn)局部冷卻。熱電冷卻器使用壽命長、不易泄漏、尺寸和形狀可調(diào)，且沒有移動部件（如循環(huán)液體），因此非常適合各種冷卻應用，例如電子產(chǎn)品。然而，用錠材制造熱電冷卻器成本高昂，而且會產(chǎn)生大量材料浪費。此外，熱電冷卻器的性能仍然有限。

現(xiàn)在，由能源科學聯(lián)合體教授兼沃納西門子熱電實驗室主任瑪麗亞·伊巴涅斯 (MariaIbáñez)領導的團隊，與第一作者、奧地利科學技術研究所 (ISTA) 的博士后徐勝鐸一起，利用 3D 打印機開發(fā)出高性能熱電材料，并用它們構建了熱電冷卻器。徐勝鐸表示：“我們將 3D 打印創(chuàng)新地融入熱電冷卻器制造中，大大提高了制造效率并降低了成本。”

此外，與之前 3D 打印熱電材料的嘗試相比，本方法生產(chǎn)出的材料性能要高得多。ISTA 伊巴涅斯教授補充道：“憑借商業(yè)級的性能，我們的工作有可能超越學術界，具有實際意義，并吸引尋求實際應用的行業(yè)的興趣?！?/div>

△合成工藝及性能。

△打印Ag2Se的多孔微觀結構及熱電性能。

△通過形成顆粒間的界面鍵合提升BST-B-ST的熱電性能。

△3D打印的熱電制冷器（TEC）的冷卻性能和穩(wěn)定性。

突破熱電技術的界限

雖然所有材料都表現(xiàn)出某種熱電效應，但這種效應通常微不足道，根本無用。表現(xiàn)出足夠高熱電效應的材料通常是所謂的“簡并半導體”，即“摻雜”半導體，其中故意引入雜質，性能接近導體。目前最先進的熱電冷卻器是使用基于錠的制造技術生產(chǎn)的——這是一種昂貴且耗電的程序，生產(chǎn)后需要大量的加工過程，這會浪費大量材料。徐說：“通過我們目前的工作，我們可以 3D 打印出所需形狀的熱電材料。此外，由此產(chǎn)生的設備在空氣中表現(xiàn)出 50 度的凈冷卻效果。這意味著我們的 3D 打印材料的性能與制造成本高得多的材料相似?！币虼耍琁STA 材料科學家團隊提出了一種可擴展且經(jīng)濟高效的熱電材料生產(chǎn)方法，避免了耗能且耗時的步驟。

△合著者Abayomi Lawal 操作 3D 打印機

具有優(yōu)化顆粒結合的打印材料

除了應用 3D 打印技術生產(chǎn)熱電材料外，研究團隊還設計了油墨，這樣當載體溶劑蒸發(fā)時，晶粒之間會形成有效而牢固的原子鍵，從而形成原子連接的材料網(wǎng)絡。因此，界面化學鍵改善了晶粒之間的電荷轉移。這解釋了團隊如何設法提高 3D 打印材料的熱電性能，同時也為多孔材料的傳輸特性提供了新的見解。Ibáñez 說：“我們采用了基于擠壓的 3D 打印技術，并設計了油墨配方，以確保打印結構的完整性并促進顆粒結合。這使我們能夠從打印材料中生產(chǎn)出首批熱電冷卻器，性能與基于錠的設備相當，同時節(jié)省了材料和能源?！?/div>

△用于測量熱電性能的擠出打印裝置

醫(yī)療應用、能量收集和可持續(xù)性

除了在電子設備和可穿戴設備中快速進行熱量管理外，熱電冷卻器還可以用于醫(yī)療領域，包括燒傷治療和肌肉拉傷緩解。此外，ISTA 科學家團隊開發(fā)的油墨配方方法可以適用于高溫熱電發(fā)電機（一種可以利用溫差產(chǎn)生電壓的設備）中使用的其他材料。研究團隊聲稱，這種方法可以擴大熱電發(fā)電機在各種廢物能量收集系統(tǒng)中的適用性。

△合著者兼電子顯微鏡專家 Sharona Horta。

Ibáñez說道：“我們成功地實施了全周期方法，從優(yōu)化原材料的熱電性能到制造穩(wěn)定、高性能的最終產(chǎn)品。我們的工作為熱電設備生產(chǎn)提供了變革性的解決方案，并預示著高效、可持續(xù)熱電技術新時代的到來。”