快速、局部的热管理对于电子设备至关重要，并可能应用于从可穿戴材料到烧伤治疗等多个领域。所谓的热电材料能够将温差转化为电压，反之亦然，但它们的效率通常受到限制，且生产成本高且浪费。研究人员现在利用3D打印技术制造高性能热电材料，显著降低了生产成本。
热电冷却器，也称为固态冰箱，能够通过使用电流将热量从设备的一侧转移到另一侧来引发局部冷却。它们的长寿命、抗泄漏能力、大小和形状可调性，以及没有活动部件（如循环液体）使这些设备成为各种冷却应用的理想选择，例如电子设备。然而，利用铸锭制造它们会导致高成本并产生大量材料浪费。此外，设备的性能仍然受到限制。
现在，奥地利科学与技术研究所（ISTA）的一组团队，在能源科学的“Verbund教授”和维尔纳·西门子热电实验室的负责人Maria Ibáñez的带领下，和第一作者、ISTA博士后Xu Shengduo一起，开发了高性能热电材料并利用3D打印机制造热电冷却器。“我们将3D打印技术创新性地整合到热电冷却器的制造中，大大提高了生产效率，并降低了成本，”Xu说。此外，与之前3D打印热电材料的尝试相比，目前的方法可以获得性能显著更高的材料。ISTA的教授Ibáñez指出：“我们的工作具有商业级性能，可能超越学术界，具有实际相关性，并吸引寻求实际应用的行业的兴趣。”
推动热电技术的边界
虽然所有材料都会表现出一定的热电效应，但通常太微不足道而无法实用。表现出足够高热电效应的材料通常被称为“简并半导体”，即经过“掺杂”的半导体，故意引入杂质，使其表现得像导体。目前最先进的热电冷却器是使用铸锭制造技术生产的——这种昂贵且需要大量能量的过程在生产后需要大量机械加工，造成大量材料浪费。“通过我们目前的工作，我们可以3D打印所需形状的热电材料。此外，最终的设备在空气中表现出50度的净冷却效果。这意味着，我们的3D打印材料的性能与制造成本高得多的材料相当，”Xu说。因此，ISTA的材料科学家团队提出了一种可扩展且具有成本效益的热电材料生产方法，避开了高能耗和耗时的步骤。
优化颗粒结合的打印材料
在应用3D打印技术生产热电材料的基础上，该团队设计了油墨，使得随着载体溶剂的蒸发，颗粒之间形成有效且牢固的原子键，创造出原子连接的材料网络。因此，界面化学键改善了颗粒之间的电荷转移。这解释了该团队如何在增强3D打印材料的热电性能的同时，对多孔材料的传输特性提供新的见解。“我们采用基于挤出的3D打印技术，并设计油墨配方以确保打印结构的完整性并增强颗粒结合。这使我们能够制造出与铸锭设备性能相当的第一批热电冷却器，同时节省材料和能源，”Ibáñez说道。
医疗应用、能量收集与可持续发展
除了在电子设备和可穿戴设备中的快速热管理外，热电冷却器还可能具有医疗应用，包括烧伤治疗和肌肉拉伤缓解。此外，ISTA科学家团队开发的油墨配方方法可以适用于其他材料，用于高温热电发电机——这些设备能够从温差中产生电压。据该团队称，这种方法可以扩大热电发电机在各种废能收集系统中的适用性。
“我们成功执行了一个完整的循环方法，从优化原材料的热电性能到制造出稳定的高性能最终产品，”Ibáñez说。Xu补充道：“我们的工作为热电设备的生产提供了一种变革性解决方案，并预示着高效和可持续热电技术的新纪元。”
