《AFM》は1秒で自己修復します！リトラクタブル！ 3D プリント可能な有機熱電素子!

出典: 高分子科学の最前線

現代技術の継続的な発展に伴い、ウェアラブルデバイスに対する人々の需要が高まり、電子・電気製品も実際のアプリケーションのニーズを満たすために急速に変化しています。従来の脆い無機材料と比較して、有機材料、特にポリマー材料は、その固有の柔軟性により、伸縮性ロジックデバイス、バイオセンサー、電子皮膚など、一連の新しいウェアラブルデバイスの製造に適しています。ただし、上記のデバイスは、人体と接触すると熱を電気エネルギーに変換できるウェアラブル熱電発電機 (TEG) などのエネルギー収集デバイスと組み合わせて使用する必要があります。

これまでに報告された TEG デバイスは高い熱電性能指標を備えていますが、弾性特性が限られているため、長期にわたる継続的な外力を受けると局所的な欠陥が生じ、熱電性能が低下します。さらに、熱電材料は使用中に破損や損傷が発生するリスクがあるため、動的結合（水素結合、共有結合、イオン結合など）によって実現できる迅速な応答性と自己修復性を材料に与えることが特に重要です。従来の TEG 製造では、ロールツーロール印刷技術がよく使用されますが、ランダムな形状の 3 次元オブジェクトを構築するには依然として一定の制限があります。3D 印刷技術を導入することで、これを最適化できます。

このような背景を踏まえ、最近、キング・アブドラ科学技術大学のデリヤ・バラン教授のチームが、材料科学分野で著名な学術誌「Advanced Functional Materials」に「自己修復型で伸縮性のある3Dプリント有機熱電素子」と題する論文を発表しました。研究者らは、ポリ（3,4-エチレンジオキシチオフェン）：ポリスチレンスルホン酸）（PEDOT：PSS）、Triton X-100、およびDMSOの3つの溶液を混合し、基板に塗布し、加熱して溶媒を蒸発させ、その後ゆっくりとアニールして三元複合フィルムを得た。その後、この三元複合フィルムを基板から分離して自立型フィルムを得た。その成分構造と調製プロセスを図1に示す。そのうち、PEDOT：PSSはP型熱電材料であり、界面活性剤としてのTriton X-100は水素結合により自己修復効果を実現でき、DMSOは導電性向上剤である。

図1. 三元熱電複合膜の構成と製造の概略図。研究者らは、三元複合膜の自己修復、伸縮、導電性の特性を評価した。図2aとbに示すように、三元複合膜は外力の作用下で明らかな伸縮特性を示し、ひずみは30％以上に達する可能性がある。フィルムに自己修復成分（Triton X-100）を添加しない場合、材料は自己修復特性を持たず、図2cに示すように、構造が破壊された後、導電性を元の状態に戻すことができません。注目すべきは、三元複合フィルムはスクレーパーで完全に切断されてから約 1 秒で自己修復し、元の導電性を回復できることです。回路に接続しても、LED ライトがすぐに消えることはなく、図 2d と e に示すように、その優れた自己修復特性が確認されています。

図2. 三元熱電複合フィルムの自己修復、伸縮、伝導性能テスト。研究者らはさらに、図3に示すように、3Dプリント技術を使用して、三元複合材料アレイで構成されたTEGデバイスを準備しました。結果は、電源を入れると、TEGデバイスが最大12.2nwの電力出力を提供し、温度が大幅に上昇することを示しています。複数回の切断後でも、デバイスは元の出力の85％以上を維持できます。

図3. 三元複合材料に基づく3DプリントTEGデバイスの熱電特性に関する研究。研究者は手の温度を検出し、TEGデバイスが0.6mVの安定した電圧出力を生成できることを発見しました（図4を参照）。これにより、柔軟なウェアラブル熱電変換が実現し、ウェアラブルエネルギーハーベスティングデバイスの分野におけるTEGデバイスの潜在的な応用価値が明らかになりました。

図 4. フレキシブルなウェアラブル熱電素子は、熱電変換に人体の温度を使用します。この研究では、変形中および最大 35% の引張ひずみ中に安定した熱電特性を持つ高性能の三元有機熱電素子が報告されています。さらに重要なのは、複合フィルムは完全に切断された後、わずか約 1 秒で自己修復し、熱電特性を回復できることです。切断と自己修復を繰り返した後でも、初期の電力出力の85％以上を維持できます。また、この複合材料の製造方法は極めて簡単で、3Dプリントによりフレキシブルなデバイスが得られることから、将来的にはウェアラブル熱電発電機の製造への活用が期待されています。

全文リンク:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201905426

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