“千瘡百孔”是優勢？科學家造出新型熱電薄膜 | 科技前線

想象一下，晨跑時我們佩戴著無需充電的智能手表，僅靠體溫就能持續運轉；炎炎夏日中，只需在皮膚上貼一片輕薄如紙的貼片，就能感受陣陣清涼。我國科學家的最新突破有望讓這些科幻場景加速走進現實。

近日，中國科學院化學研究所等科研團隊研制出一種具有不規則多級孔結構的塑料熱電薄膜，為可穿戴發電設備、貼附式制冷、物聯網傳感器等技術提供了關鍵材料支撐。

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從“廢熱”到電能

據統計，全球每年有超過60%的能源以“廢熱”形式散失，將其有效回收利用可帶來巨大節能減排潛力。熱電材料堪稱“能量魔術師”，能夠實現熱能和電能之間的轉換，而且整個過程無需燃料、無噪音、無污染，是新型綠色能源技術的典型代表。

柔性熱電材料兼具柔韌性和可彎折性，可以貼附在人體、衣物或任何曲面，悄無聲息地將周圍的“廢熱”轉化為電能。

理想的柔性熱電材料既要具備類似晶體的高電導率，以保證電荷高效輸運；又要擁有類似玻璃的低熱導率，以抑制熱量傳導。科學界稱之為“聲子玻璃—電子晶體”模型，這成為熱電材料研究的關鍵科學目標。

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從“二選一”到“全都要”

研究團隊創新性提出在無序中創造有序的“無序—有序”協同調控理念。就像在崎嶇山嶺間修建高速公路，無序孔洞迫使熱量不斷“翻山越嶺”，寸步難行；有序分子通道則保障了電子的“高速通行”。兩者各司其職，互不干擾，成功實現了電—熱輸運的解耦和協同提升。

團隊采用“聚合物相分離”方法制造上述結構，就像油和水混合后會自然分離一樣，研究人員將兩種高分子材料溶解混合，在溶劑揮發過程中，兩種聚合物通過分相自然“分家”。通過精確控制條件（比如聚合物的配比等），科研人員能精確調控孔洞的大小、數量和分布。

相分離過程中導電聚合物被“擠壓”在狹小空間里，但這種“限域效應”反而促進了分子的有序排列，就像人群在狹窄通道中會自然排成整齊隊列。由此，孔洞的無序和分子的有序就同時實現了。

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新材料創造新紀錄

“熱電優值”（zT）值是衡量熱電材料性能的核心指標，它綜合體現了材料的發電能力和隔熱能力。長期以來，聚合物熱電材料面臨性能瓶頸，核心指標zT值遠遠落后于無機材料。

此前，中國科學院化學研究所團隊將聚合物熱電材料的zT值提升到1.28，但仍低于柔性無機材料，成為制約其走向實用化的關鍵瓶頸。

此次，研究團隊新制備的不規則多級孔熱電塑料（IHP-TEP）薄膜取得了一系列性能突破：高效聲子散射使熱導率大幅降低72%，僅為0.16W·m-1·K-1；限域效應增強分子有序排列，使載流子遷移率最高提升52%。功率因子達到772μW·m-1·K-2，z

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▲IHP-TEP結構的設計思想與表征結果

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制造簡單，前景廣闊

有機材料的柔性特點，使其可以貼附在各種曲面，大大拓展了應用場景。

區別于此前制成高性能柔性熱電材料需要重復100次的工藝要求，新技術兼容噴涂工藝——可以像噴漆一樣簡單，一次成型，也可以像印刷報紙一樣大面積、低成本制造。未來或許在衣服面料中就能織入這種材料，成為移動電源。

長期以來，人們認為在弱相互作用主導的有機材料中，很難實現電—熱輸運的協同調控，而該研究突破了這一限制，推動聚合物熱電材料跨入了實用化的門檻。本次研究加深了學界對軟物質材料熱電轉換規律的深刻認知。更重要的是，研究團隊建立的系統研究方案，為后續研究提供了清晰的路線圖。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx9237

來源：中國科學院化學研究所

責任編輯：吳昊 曹旸