体温で電気を生成できますか？中国の科学者が物質的な進歩を達成！

最近、ハルビン工業大学（深圳）材料科学工学部の張倩教授と茅軍教授のチームが塑性熱電材料の分野で新たな進歩を遂げました。彼らは、マグネシウムビスマス単結晶が室温で優れた塑性変形能力と優れた熱電特性の両方を備えていることを発見しました。当該研究結果は10日、国際誌ネイチャーに掲載された。

01 曲げたりねじったりできるマグネシウムビスマス単結晶

研究チームはセンチメートル規模の高品質マグネシウムビスマス単結晶を製造した。 「マグネシウムビスマス酸化物単結晶は、室温で曲げやねじりなどのさまざまな塑性変形を容易に実現できます。」張倩氏は、最適化されたマグネシウムビスマス酸化物単結晶は室温でも優れた熱電特性を示し、現在のプラスチック半導体材料よりも優れていると紹介した。

このタイプのプラスチック熱電材料は、主に人体温度に基づく発電や温度制御などの応用シナリオ向けの柔軟な熱電デバイスの開発に使用できると報告されています。

02 人間の体温から電気を生み出す魔法の技術

体温発電は、体表面と外部環境の温度差を利用して発電する方法であり、電子機器が従来の電力供給方法から脱却することを可能にします。 2007年、ドイツのフラウンホーファー集積回路研究所の科学者たちはこの新しい技術を研究しました。彼らは温度差を利用して電気エネルギーを生成するために半導体を使用しました。温度差発電の基本原理は「ゼーベック効果」、つまり2つの異なる金属を接続して閉ループを形成すると、2つの接続点の温度が異なれば小さな電圧を発生できるというものです。

2016年、米国ノースカロライナ州立大学の研究者らは、体温を簡単に電気エネルギーに変換できる「充電パッチ」を発明した。厚さはわずか2mmで、自由に折りたたむことができます。最下層は肌にぴったりフィットする熱伝導素材で、熱損失を防ぐためにポリマーフィルムで覆われています。このような構造により、内部の温度差発生器に熱を「強制的に」通過させ、熱を電気エネルギーに変換することができます。

03 我が国の体温発電技術のブレークスルー

2018年、中国科学院金属研究所は体温を利用して発電できる新素材を開発した。この新素材は、幅が指一本未満、厚さが0.1mmの灰色の柔らかいフィルム一枚です。これを人間の手首に装着すると、接続された測定メーターはすぐに明らかな出力電圧を表示します。これは、Bluetooth ヘッドセット、健康モニター、時計、スマートブレスレットなどのウェアラブル電子機器に電力を供給します。

人体の体温を利用して発電する場合、体温と周囲温度の差が約15℃のときにマイクロワット～ミリワットの発電が可能になります。発電効果は温度差が大きくなるにつれて増大し、特に運動中に人体が生化学的エネルギーを消費して熱を生成するときや、北部地域の年間平均屋外気温が 20 度を下回るときに顕著になります。体温が周囲温度よりも高くても、周囲温度が体温よりも高くても、温度差があれば電気を発電することができます。

上記新素材で作られた薄膜電池、すなわち「フレキシブルでカスタマイズ可能なビスマステルル化物/セルロース複合熱電薄膜電池」は、高性能ビスマステルル化物熱電材料と低コストのセルロース紙をネットワーク構造で組み合わせたものである。また、優れた変形能力を持ち、複雑な曲率変化を持つ人体表面に完全に適合し、周囲の環境との温度差を維持できるため、熱エネルギー変換効率が向上します。新世代の低電力マイクロシステム電源技術に適用できます。

ウェアラブル電子製品の発展に伴い、近年、国内外の科学者はフレキシブル熱電材料とデバイスの研究に注力し始めています。

総合情報源：科技日報、CCTVニュース、新華網など。