中 科 院 化 學 所 實 現(xiàn) 電 - 熱 協(xié) 同 調 控 ， 為 可 穿 戴 設 備 自 供 電 與 貼 片 制 冷 開 辟 新 路 徑 。

導讀

柔性熱電材料能夠直接將人體與環(huán)境間的溫差轉化為電能，是實現(xiàn)可穿戴電子設備自供電、微型貼片式局部制冷等前沿應用的核心材料。然而，傳統(tǒng)聚合物熱電材料長期面臨一個根本性矛盾：提升導電性往往伴隨熱導率的增加，導致熱電轉換效率難以突破瓶頸。近日，中國科學院化學研究所有機固體實驗室朱道本院士、狄重安研究員團隊與張德清研究員課題組等合作，取得了顛覆性突破。他們通過發(fā)展“聚合物的相分離臨界調控”新方法，成功研制出一種具有獨特“多孔無序-狹道有序”微觀結構的新型柔性熱電薄膜。該材料不僅實現(xiàn)了電學性能和熱學性能的協(xié)同優(yōu)化與解耦調控，更將其熱電性能值提升至同類材料的全球最高紀錄，展現(xiàn)出熱電優(yōu)值（ZT）在溫度為343K/70℃時達到1.64的卓越轉換效率。這項研究從根本上打破了傳統(tǒng)認知局限，為下一代高性能柔性熱電材料的理性設計提供了全新范式。相關論文已發(fā)表于國際頂級學術期刊《科學》（Science），標志著我國在有機功能材料與能源轉換領域的基礎研究與原始創(chuàng)新達到國際領先水平。

Part 1

引言：體溫也能發(fā)電？

柔 性 熱 電 的 夢 想 與 現(xiàn) 實

隨著物聯(lián)網、可穿戴健康監(jiān)測和微型電子器件的飛速發(fā)展，如何為這些設備提供持久、便捷、無需更換的能源，成為制約其發(fā)展的關鍵瓶頸。柔性熱電材料應運而生，它像一層薄薄的“電子皮膚”，能夠附著于人體或彎曲表面，將無處不在的熱能（如體溫與環(huán)境溫差）直接轉換為電能，實現(xiàn)真正的自供能。此外，利用電流通過時產生的帕爾貼效應，它還能實現(xiàn)精準的固態(tài)制冷，用于醫(yī)療冷敷、電子芯片熱管理等。

然而，理想豐滿，現(xiàn)實骨感。衡量熱電材料性能的核心指標——熱電優(yōu)值（ZT），由材料的塞貝克系數(shù)、電導率和熱導率共同決定。長期以來，對于以導電聚合物為代表的柔性熱電材料，這些參數(shù)如同被一條無形的“繩索”捆綁：提高電導率通常需要更有序的分子排列，但這往往會同時增強聲子傳輸，導致熱導率上升，反而降低了ZT值。這種電-熱輸運的強耦合，成為限制其性能提升的“阿喀琉斯之踵”。如何打破這層枷鎖，實現(xiàn)電、熱性能的獨立優(yōu)化與協(xié)同提升，是全球科學家面臨的巨大挑戰(zhàn)。

Part 2

技術揭秘：巧用“相分離”，

織就“千瘡百孔”的智能網絡

中科院化學所的研究團隊獨辟蹊徑，將目光投向了高分子物理中的經典過程——相分離。他們創(chuàng)新性地發(fā)展了“聚合物的相分離臨界調控方法”，巧妙地利用兩種聚合物共混時發(fā)生的相分離現(xiàn)象，并通過精確控制溶液濃度、溫度等條件，使其處于發(fā)生相分離的“臨界點”附近。

在這一精妙調控下，所制備的薄膜形成了令人驚嘆的微觀結構：整體上看，材料如同被精心雕琢過一般，“千瘡百孔”，充滿了納米尺度的無序孔隙；然而，在連接這些孔隙的“骨架”或“狹道”區(qū)域，導電聚合物分子卻呈現(xiàn)出高度有序的排列。研究團隊將這種獨特的結構形象地概括為“多孔無序-狹道有序”。

這個結構正是性能突破的奧秘所在：“多孔無序”以阻熱：大量隨機分布的無序孔隙和界面，對傳遞熱量的聲子（晶格振動量子）構成了極強的散射，如同在聲子傳播的道路上設置了無數(shù)“路障”和“迷宮”，使其寸步難行，從而將材料的導熱能力大幅削弱了72%。

“狹道有序”以導流：與此同時，孔隙間狹窄通道內高度有序的分子排列，則為載流子（電子或空穴）提供了暢通無阻的“高速公路”。電荷可以沿著這些有序區(qū)域高效傳輸，使得薄膜的電導率不降反升，增強了52%。

通過這種巧奪天工的微觀結構設計，團隊成功地將材料的“導電性”和“導熱性”這兩個原本糾纏不清的參數(shù)進行了“解耦”，并實現(xiàn)了“一升一降”的協(xié)同優(yōu)化，最終將熱電性能推向了全新的高度。

Part 3

性能突破：

刷新世界紀錄的“能量捕手”

基于上述獨特的結構設計，該柔性熱電薄膜展現(xiàn)出里程碑式的性能指標。其熱電優(yōu)值（ZT）在343K時達到約1.64，創(chuàng)造了柔性熱電材料的同溫區(qū)性能世界紀錄，對應的能量轉換潛力較以往材料有數(shù)量級提升。

這一數(shù)字的意義非凡。它意味著，一塊郵票大小、薄如蟬翼的薄膜，利用人體手腕與空氣之間幾攝氏度的溫差，就能產生足以驅動小型傳感器或低功耗電子元件的微量電力。更重要的是，該材料展現(xiàn)出優(yōu)異的機械柔韌性和穩(wěn)定性，可以承受反復彎折，真正具備了作為“可穿戴”能源部件的實用潛質。這項突破標志著，柔性熱電材料從實驗室概念向實際應用邁出了至關重要的一步。

Part 4

產業(yè)關聯(lián)與應用展望：

從自供電手環(huán)到精準醫(yī)療冷敷

此項基礎研究的突破，為多個未來產業(yè)領域描繪了清晰的應用藍圖：

1.自供電可穿戴電子：未來的智能手環(huán)、健康監(jiān)測貼片或將徹底告別充電器。利用人體恒溫與環(huán)境的熱差，這層“發(fā)電皮膚”可持續(xù)為心率、血氧、體溫等傳感器供電，實現(xiàn)永久續(xù)航的個人健康管理，極大提升用戶體驗與醫(yī)療監(jiān)測的連續(xù)性。

2.便攜式貼片制冷與溫控：利用其帕爾貼制冷效應，可開發(fā)超薄、柔性的電子退熱貼或局部冷敷理療設備，為運動康復、慢性疼痛管理及術后護理提供無創(chuàng)、便捷的新方案。同樣，也可用于可穿戴空調服或對溫度敏感的精密電子器件的局部熱管理。

3.分布式物聯(lián)網（IoT）節(jié)點供電：在工業(yè)物聯(lián)網、智慧農業(yè)等領域，有大量散布的無線傳感器需要供電。利用環(huán)境中的微小溫差（如管道內外、土壤與空氣），這種柔性熱電薄膜可為它們提供免維護、無污染的綠色能源解決方案，降低網絡部署與維護成本。

4.低品位廢熱回收：工廠管道、汽車排氣管、數(shù)據(jù)中心服務器等存在大量未被利用的低溫廢熱。將這種柔性材料制成大面積、可貼附的“熱回收毯”，有望將廢熱轉換為有用電能，提高能源綜合利用效率，服務于國家“雙碳”戰(zhàn)略。

5.特種領域與極端環(huán)境供電：在野外勘探、航空航天等特殊場景下，其為小型設備提供長期、穩(wěn)定的輔助電源，減少對傳統(tǒng)電池的依賴，增強系統(tǒng)的自持力與可靠性。

Part 5

總結與展望

中國科學院化學所團隊的這項合作研究，通過原創(chuàng)性的“相分離臨界調控”策略，成功構筑了兼具“多孔無序”與“狹道有序”的柔性熱電薄膜新材料，一舉打破了聚合物熱電領域電-熱輸運難以協(xié)同優(yōu)化的傳統(tǒng)困局，創(chuàng)造了新的性能紀錄。

這項工作不僅是材料設計理念上的重大創(chuàng)新，更為整個柔性熱電領域的發(fā)展提供了普適性的新思路：即通過精巧的微觀結構工程，實現(xiàn)對電子和聲子輸運行為的分別定制與優(yōu)化。它標志著我國科學家在該領域已從“跟隨”走向“引領”。

展望未來，隨著材料性能的進一步提升、制備工藝的規(guī)模化與集成技術的成熟，這種“千瘡百孔”的智能薄膜有望從實驗室走向生產線，集成到各種柔性電子設備中。一個由體溫和環(huán)境供能、無需電池的穿戴式電子時代，以及按需精準溫控的柔性醫(yī)療時代，正因這項基礎研究的突破而加速到來。

科研團隊信息

本研究由中國科學院化學研究所有機固體實驗室朱道本院士、狄重安研究員團隊，與張德清研究員課題組合作完成。中國科學院大學為重要合作單位。研究工作得到了國家自然科學基金、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項等項目的支持。本研究的核心制備工藝探索與關鍵性能表征，依托中國科學院化學研究所懷柔研究中心的先進平臺完成。該中心是北京懷柔綜合性國家科學中心的重要組成部分，其國際一流的材料合成、加工與微觀結構表征能力，為此次重大原創(chuàng)成果的誕生提供了至關重要的實驗條件與技術保障，是院地合作支撐前沿基礎研究的典范。

來源：懷柔科學城城市客廳新媒體中心 張耀

編輯：柯欣

審核：王汝霖

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