3D列印技術革新：高效能熱電材料的突破

在現代科技中，快速且精準的熱管理對於電子裝置至關重要，其應用範圍廣泛，從穿戴式裝置到燒傷治療皆有可能。然而，傳統的熱電材料雖然能將溫差轉化為電壓，但其效率往往有限，且生產成本高昂、浪費嚴重。近期，奧地利科學與技術研究院（ISTA）的研究團隊在《科學》期刊上發表了一篇論文，介紹了他們如何利用3D列印技術製造高效能熱電材料，大幅降低了生產成本。

熱電冷卻器，又稱固態冷卻器，能夠透過電流將熱量從裝置的一側轉移到另一側，從而實現區域性冷卻。這種裝置具有壽命長、不易洩漏、尺寸和形狀可調等優點，且無需使用液體迴圈等移動部件，因此非常適合用於電子裝置等多元冷卻應用。然而，傳統的製造方法依賴於鑄錠技術，不僅成本高昂，還會產生大量材料浪費，且裝置效能仍有待提升。

ISTA的團隊在能源科學教授兼Werner Siemens熱電實驗室主任Maria Ibáñez的帶領下，與第一作者、ISTA博士後研究員Shengduo Xu合作，成功利用3D列印技術開發出高效能熱電材料，並以此製造出熱電冷卻器。Xu表示：「我們將3D列印技術創新地應用於熱電冷卻器的製造，大幅提升了生產效率並降低了成本。」此外，與以往的3D列印熱電材料嘗試相比，這種新方法所製造的材料效能顯著提高。

Ibáñez教授補充道：「我們的成果具有商業化潛力，不僅在學術界具有重要意義，還能吸引工業界的關注，推動實際應用。」

所有材料都具有一定的熱電效應，但通常過於微弱而無法實用。具有顯著熱電效應的材料通常是所謂的「摻雜半導體」，即透過引入雜質使其表現出導體特性。目前最先進的熱電冷卻器是透過鑄錠製造技術生產的，這種方法成本高昂且耗能，生產後還需要進行大量加工，導致材料浪費嚴重。

Xu指出：「我們的研究能夠直接3D列印出所需形狀的熱電材料，且製成的裝置在空氣中能實現50度的淨冷卻效果。這意味著我們的3D列印材料效能與成本更高的傳統材料相當。」因此，ISTA的材料科學家團隊提出了一種可擴充套件且成本效益高的熱電材料生產方法，避免了耗能和耗時的傳統步驟。

除了應用3D列印技術製造熱電材料外，團隊還設計了特殊墨水，當載體溶劑蒸發時，顆粒之間會形成有效的原子鍵，從而建立起原子級連線的材料網路。這種介面化學鍵提升了顆粒間的電荷轉移，解釋了團隊如何提升3D列印材料的熱電效能，同時也為多孔材料的傳輸特性提供了新的見解。

Ibáñez表示：「我們採用了擠出式3D列印技術，並設計了墨水配方，以確保列印結構的完整性並增強顆粒間的結合。這使我們能夠首次利用列印材料製造出效能與鑄錠裝置相當的熱電冷卻器，同時節省了材料和能源。」

除了電子裝置和穿戴式裝置的快速熱管理外，熱電冷卻器還可能應用於醫療領域，如燒傷治療和肌肉拉傷緩解。此外，ISTA團隊開發的墨水配方方法也可應用於其他材料，用於高溫熱電發電機——一種能將溫差轉化為電壓的裝置。團隊認為，這種方法可以擴充套件熱電發電機在各種廢能回收系統中的應用。

Ibáñez總結道：「我們成功實現了從最佳化原材料熱電效能到製造穩定高效成品的一整套流程。」Xu補充說：「我們的研究為熱電裝置生產提供了變革性的解決方案，並預示著高效且可持續的熱電技術新時代的到來。」