科学：ISTAの研究者が高性能で持続可能な熱電材料を3Dプリント

この投稿は warrior bear によって 2025-2-24 21:10 に最後に編集されました。

はじめに: 高速で局所的な熱電冷却器 (TEC) は、ウェアラブル素材から火傷治療まで、幅広い用途の電子デバイスにとって不可欠です。いわゆる熱電材料は温度差を電圧に変換できますが、効率と製造のスケーラビリティの点で課題があります。
2025年2月24日、アンタークティックベアは、オーストリア科学技術研究所（ISTA）のマリア・イバニェス教授とシェンドゥオ・シュー博士らが、押し出しベースの3Dプリント技術を使用して高性能熱電材料を製造することでこれらの課題を解決したことを知りました。この新しい製造方法は、従来の方法と同等の性能を維持しながら、生産コストを大幅に削減できると報告されています。
△研究チームはISTA研究所所属。左から右へ: エネルギー科学の共同教授であり、ヴェルナー・シーメンス熱電研究所所長のマリア・イバニェス、アバヨミ・ラワル、第一著者のシェンドゥオ・シュー、シャロナ・ホルタ。 ©ISTA
関連論文は「界面結合により3Dプリント材料の熱電冷却が強化される」というタイトルでサイエンス誌に掲載されました。このプロジェクトは、オーストリア科学技術研究所（ISTA）とヴェルナー・シーメンス財団の支援を受けて実施されました。

論文リンク: https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads0426
熱電冷却器は、ソリッドステート冷蔵庫とも呼ばれ、電流を通じてデバイスの片側から反対側に熱を移動させることで局所的な冷却を実現します。熱電冷却器は、寿命が長く、漏れがなく、サイズと形状を調整でき、可動部品（循環液など）がないため、電子機器などのさまざまな冷却用途に最適です。しかし、インゴットから熱電冷却器を製造するのはコストがかかり、大量の材料廃棄物が発生します。さらに、熱電冷却器の性能はまだ限られています。
現在、エネルギー科学コンソーシアムの教授であり、ヴェルナー・シーメンス熱電研究所の所長でもあるマリア・イバニェス氏が率いるチームは、オーストリア科学技術研究所（ISTA）の博士研究員で第一著者のシェンドゥオ・シュー氏と共同で、 3Dプリンターを使用して高性能熱電材料を開発し、それを使って熱電冷却装置を構築した。 Xu Shengduo氏は次のように述べた。「当社は熱電冷却装置の製造に3Dプリンティングを革新的に統合し、製造効率を大幅に向上させ、コストを削減しました。」
さらに、この方法では、これまでの熱電材料の 3D プリントの試みよりもはるかに高性能な材料が生成されました。 ISTAのイバニェス教授は次のように付け加えた。「商用グレードの性能を備えた私たちの研究は、学術の域を超え、実用性を持ち、現実世界での応用を求める産業界の関心を集める可能性があります。」
△合成プロセスと性能。 △印刷された Ag2Se の多孔質微細構造と熱電特性。 △ BST-B-STは粒子間に界面結合を形成することで熱電性能が向上します。 △3Dプリント熱電冷却器（TEC）の冷却性能と安定性。
熱電技術の限界を押し広げる<br /> すべての材料は何らかの熱電効果を示しますが、この効果は通常非常に小さいため、まったく役に立ちません。十分に高い熱電効果を示す材料は、通常、いわゆる「縮退半導体」、つまり導体に近い特性を持たせるために意図的に不純物が導入された「ドープ」半導体です。現在の最先端の熱電冷却器は、インゴットベースの製造技術を使用して製造されていますが、これは高価で電力を大量に消費する手順であり、製造後に大規模な機械加工が必要となり、多くの材料が無駄になります。「現在の研究により、熱電材料を希望の形状に 3D プリントすることができます」と徐氏は言う。「さらに、結果として得られたデバイスは、空気中で 50 度の正味冷却効果を示しました。これは、3D プリントされた材料の性能が、製造コストがはるかに高い材料と同等であることを意味します。」このように、ISTA の材料科学者チームは、エネルギーを大量に消費し時間のかかる手順を回避した、スケーラブルでコスト効率の高い熱電材料の製造方法を考案しました。
△共著者のアバヨミ・ラワル氏が3Dプリンターを操作する
最適化された粒子結合を備えた印刷材料<br /> 研究チームは、3D プリント技術を熱電材料の製造に応用するだけでなく、キャリア溶媒が蒸発すると粒子間に効果的で強力な原子結合が形成され、原子でつながった材料ネットワークが形成されるようにインクを設計しました。したがって、界面化学結合により粒子間の電荷移動が改善されます。これにより、チームがどのようにして 3D プリントされた材料の熱電性能を向上させることができたかが説明され、多孔質材料の輸送特性に関する新たな知見も得られます。「私たちは押し出しベースの 3D 印刷技術を採用し、印刷された構造の完全性を確保し、粒子の結合を促進するインク配合を設計しました」とイバニェス氏は述べました。「これにより、材料とエネルギーを節約しながら、インゴットベースのデバイスに匹敵する性能を持つ、印刷された材料から初の熱電冷却装置を製造することができました。」
△熱電特性測定用押し出し印刷装置
医療アプリケーション、エネルギーハーベスティング、持続可能性<br /> 熱電冷却器は、電子機器やウェアラブル機器における急速な熱管理に加え、火傷治療や筋肉の緊張緩和などの医療分野でも使用できます。さらに、ISTAの科学者チームによって開発されたインク配合アプローチは、温度差を利用して電圧を生成できるタイプの装置である高温熱電発電機で使用される他の材料にも応用できる可能性があります。研究チームは、このアプローチにより、さまざまな廃棄物エネルギー収集システムにおける熱電発電機の適用範囲が広がる可能性があると主張している。
△共著者であり電子顕微鏡の専門家であるシャロナ・ホルタ氏。
「原材料の熱電特性の最適化から、安定した高性能の最終製品の製造まで、フルサイクルのアプローチをうまく実装しました」とイバニェス氏は述べた。「私たちの研究は、熱電デバイスの製造に革新的なソリューションを提供し、効率的で持続可能な熱電技術の新しい時代の到来を告げるものです。」

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