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ウェアラブル技術の普及に伴い、フレキシブル電子材料の需要も急速に高まっています。オーストラリアのクイーンズランド工科大学（QUT）の研究チームは先日、Nature Communications誌に新たな研究論文を発表しました。この論文では、人体熱を効率的に電気エネルギーに変換できる新型フレキシブル半導体材料の開発に成功し、バッテリー不要のウェアラブルデバイスの未来への道を切り開きました。
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イノベーションは「空孔エンジニアリング」から生まれる。原子空間を操作して熱電効率を向上させる。
この技術革新の鍵は「空孔エンジニアリング」にあります。これは、結晶構造中の原子間の空孔を精密に制御することで、材料の熱的、電気的、機械的特性を調整する技術です。研究チームは、銀、銅、テルル、セレン、硫黄からなる半導体材料である銀銅（テルル、セレン、硫黄）合金をベース材料としました。この合金は、内部の原子間隔を制御することで、優れた熱電特性を持ちながら、柔らかく曲げやすいという特性も備えています。
QUTのナンハイ・リー博士は、空孔の操作により、材料の熱を電気に変換する効率が向上するだけでなく、材料に優れた可塑性と伸縮性が与えられ、それが人体にフィットして安定した電気を生成するウェアラブルデバイスの設計に非常に重要であると説明した。
簡単な溶解法で作られており、人体に直接貼り付けることができます
この材料は、従来の複雑なプロセスとは異なり、シンプルで費用対効果の高い溶融法で合成できるため、実用的価値があります。研究者らは、その実用化の可能性を検証するために、人間の腕に直接取り付けて安定的に発電できるマイクロフレキシブルデバイスをいくつか開発しました。
チームには、李博士に加え、石小雷博士、劉思奇、曹天怡、張敏、呂万宇、劉衛迪、斉東塵、そして指導教員の陳志剛教授が参加しています。この研究は、クイーンズランド工科大学（QUT）の化学物理学部、材料科学センター、そしてオーストラリア研究会議のカーボンニュートラル・ゼロエミッション発電研究センターの協力を得て行われています。
柔軟性とパフォーマンスが組み合わさり、ウェアラブルデバイスの長年の課題を解決します
ウェアラブル技術の核心的な課題の一つは、デバイスの柔軟性と快適性を維持しながら、安定的かつ継続的な電力供給を実現することです。人体自体は安定した熱源であり、特に運動時には大きな温度差が生じます。これを活用できれば、ウェアラブルデバイスにとって理想的なエネルギー源となるでしょう。
陳志剛教授は、これまで主流のフレキシブル熱電材料は有機材料か脆い無機膜であり、いずれも性能や耐久性に限界があったと述べた。本研究で用いた銀銅（テルル、セレン、硫黄）合金は、優れた熱電変換能力を持つだけでなく、優れた柔軟性と延性も備えた希少な無機材料であり、将来の熱電ウェアラブルデバイスの中核材料となる可能性を示している。
将来を見据えて：フレキシブル熱電デバイスはバッテリー不要の時代を迎えるのでしょうか？
フレキシブルエレクトロニクスとウェアラブルデバイス技術の進化に伴い、熱電材料の応用はますます重要な役割を果たすようになるでしょう。Science誌に掲載された別の研究で、クイーンズランド工科大学のチームは、体温を利用して発電できる超薄型フレキシブルフィルムを実証しました。このフィルムは従来の電池に代わるものであり、より軽量で環境に優しいデバイス設計を実現することが期待されています。
チェン教授は次のように指摘した。「フレキシブル熱電技術を発展させる鍵は、様々な可能性と材料の組み合わせを探求することにあります。これはエネルギー変換における技術的進歩であるだけでなく、将来のバッテリー不要のウェアラブル技術に向けた大きな一歩でもあります。」
参考文献
- 原子空孔工学を用いた新しいフレキシブル半導体の開発
- Scientists Unlock New Flexible Semiconductor Using Atomic “Vacancy Engineering”
- 「戦略的な空孔エンジニアリングにより、記録破りの高延性AgCu（Te、Se、S）熱電材料が進歩」著者：Nan-Hai Li、Xiao-Lei Shi、Si-Qi Liu、Meng Li、Tian-Yi Cao、Min Zhang、Wan-Yu Lyu、Wei-Di-Di圖 Liu、DongChen Qi 25 月，3 月，3 月 3993 月Nature Communications。 DOI：10.1038/s41467-025-58104-x
（最初の写真の出典：AI）
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