全回收无毒离子热电器件：可持续人机交互的新突破

《Nature Communications》：Non-hazardous and fully recyclable ionic thermoelectrics for sustainable human–machine interfaces

本刊推荐：为解决传统热电材料刚性、有毒且不可回收的问题，研究人员开展了基于离子水凝胶的可持续人机接口主题研究。他们开发出名为ReCLEAR的非危险全回收离子热电水凝胶，具备1400%应变能力、98%光学透明度、-1.05 mV/K塞贝克系数，通过环保的H2O2降解实现完全回收。该器件集成TE（热电）和TENG（摩擦纳米发电机）效应，可实现温度/压力双模式传感，为可持续电子设备提供创新平台。

　　

在人工智能和可穿戴设备蓬勃发展的今天，人机交互界面正朝着更智能、更贴合人体需求的方向演进。然而，作为感知核心的热电材料却面临着一系列棘手难题：传统基于砷化镓(GaAs)、碲化铋(Bi₂Te₃)等材料虽然热电性能优异，但存在刚性大、毒性强、不可回收等缺陷。即便是近年来兴起的柔性导电聚合物如PEDOT:PSS（聚3,4-乙烯二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐），也因本身着色而影响透明度，且依赖有毒离子液体或氧化还原对进行掺杂改性。更严峻的是，电子废弃物快速增长背景下，现有热电材料的回收过程往往使用强酸等危险化学品，造成二次污染。这些瓶颈严重制约了热电技术在可持续人机交互领域的发展应用。

针对这一挑战，新加坡国立大学Benjamin C. K. Tee教授团队在《Nature Communications》发表最新研究成果，成功开发出名为ReCLEAR的非危险全回收离子热电水凝胶。这种创新材料以交联聚丙烯酸(PAA)为基质，嫁接甘油形成PAA-Gly网络结构，并引入环保型热电盐——三氟甲磺酸锌(Zn(OTf)₂)作为离子载流子。通过锌离子(Zn²⁺)和三氟甲磺酸根(OTf^-)在温度梯度下的不对称迁移（索雷特效应），实现-1.05 mV/K的塞贝克系数。水凝胶展现出卓越的1400%拉伸应变、98%光学透光率和自愈合能力，特别是通过3wt%过氧化氢(H₂O₂)在50-70°C下即可完全降解回收，整个过程不产生危险副产物。

研究团队采用多项关键技术方法：通过自由基聚合法合成PAA-Gly/Zn(OTf)₂水凝胶；利用动态机械分析(DMA)和拉伸测试优化材料力学性能；构建定制珀耳帖平台表征热电性能；开发基于氢 peroxide 的环保回收工艺；集成水性聚氨酯(PU)封装形成多功能器件；通过24位模数转换器(ADC)系统实现信号采集处理；借助机器人手平台验证实际应用性能。

材料设计与多功能特性

ReCLEAR水凝胶的分子设计巧妙结合了PAA的网络强度、甘油的氢键增强作用以及Zn(OTf)₂的热电活性。甘油引入的大量羟基基团不仅赋予水凝胶抗冻性能（-20°C保持柔性），还通过动态氢键实现高效自愈合。优化后的30wt%甘油配比使水凝胶在12天内达到90%愈合效率，断裂韧性恢复至43.64 MJ m^-3。傅里叶变换红外光谱(FTIR)证实回收过程未改变材料化学结构，1704 cm^-1处羰基峰和1245 cm^-1处硫氧双键特征峰保持稳定。

热电与摩擦发电性能

当封装于水性PU薄膜中时，ReCLEAR器件展现出独特的双模式传感能力。热电效应响应温度变化，产生秒级缓变电压信号；而PU与外界接触分离时产生的摩擦纳米发电机(TENG)效应则对应毫秒级触觉尖峰。这种时域特性使温度与压力信号可自发解耦，无需复杂算法处理。在10-60°C温度循环测试中，原始、自愈合和回收水凝胶均保持约-1.05 mV/K的稳定塞贝克系数。同时，器件在900%拉伸应变下仍维持稳定的热电和摩擦发电输出。

四重信号配置机制

通过电极连接方式的巧妙设计，研究团队实现了四种信号配置模式：长按左右电极（>0.5秒）产生正负热电信号，短按（<0.5秒）触发极性相反的TENG尖峰。其物理机制在于：热源靠近正电极时，高迁移率的OTf^-向冷端聚集形成正电压；而接触分离时PU表面的电荷重分布产生感应电势。这种仿生设计模拟了皮肤中温度感受器和机械感受器的协同工作模式。

虚拟打字控制器应用

针对行动不便患者的需求，团队开发了基于四重信号的虚拟键盘系统。右电极短按对应列切换（负向红峰），左电极短按控制行切换（负向绿峰），左长按实现确认功能（正向红峰），右长按执行删除操作（正向绿峰）。通过无限脉冲响应(IIR)滤波和动态阈值识别，系统仅需1厘米指动范围即可完成字母选择。实测拼写"NUS"并修正错误的演示验证了该方案的实用性，为行动受限用户提供了包容性交互新途径。

机器人皮肤集成

作为透明可回收机器人皮肤，ReCLEAR器件展现出前瞻性的非接触热感知能力。当机械手接近60°C热物体时，热电信号提前1厘米预警，促使系统避让危险源；而对25°C常温物体则直接抓取。在10°C低温环境下信号呈现负向跃变，三种温度场景下自愈合与回收器件均保持与原始器件相当的响应性能。器件的高透光性允许集成于机器人信号灯等视觉关键部位，而全器件H₂O₂降解实验证实了其端到端的环保特性。

这项研究通过分子设计创新和多功能集成，成功解决了柔性热电材料在可持续性、安全性和实用性方面的多重挑战。ReCLEAR材料不仅建立了非危险全回收的技术范式，更通过TE-TENG融合传感机制拓展了人机交互的维度。其在辅助医疗和智能机器人领域的成功演示，为下一代可穿戴电子提供了兼具环境友好与高性能的解决方案。未来通过水凝胶优化、机器学习信号处理等进一步开发，这类材料有望在可持续电子、辅助技术和智能机器人等领域产生更深远影响。