“千瘡百孔”是優(yōu)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(xù)運轉(zhuǎn)；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(xiàn)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(guī)則多級孔結(jié)構(gòu)的塑料熱電薄膜，為可穿戴發(fā)電設(shè)備、貼附式制冷、物聯(lián)網(wǎng)傳感器等技術(shù)提供了關(guān)鍵材料支撐。

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從“廢熱”到電能

據(jù)統(tǒng)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(jié)能減排潛力。熱電材料堪稱“能量魔術(shù)師”，能夠?qū)崿F(xiàn)熱能和電能之間的轉(zhuǎn)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(shù)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(zhuǎn)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(guān)鍵科學目標。

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從“二選一”到“全都要”

研究團隊創(chuàng)新性提出在無序中創(chuàng)造有序的“無序—有序”協(xié)同調(diào)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(xiàn)了電—熱輸運的解耦和協(xié)同提升。

團隊采用“聚合物相分離”方法制造上述結(jié)構(gòu)，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(fā)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(diào)控孔洞的大小、數(shù)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(yīng)”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(xiàn)了。

03

新材料創(chuàng)造新紀錄

“熱電優(yōu)值”（zT）值是衡量熱電材料性能的核心指標，它綜合體現(xiàn)了材料的發(fā)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?qū)嵱没年P(guān)鍵瓶頸。

此次，研究團隊新制備的不規(guī)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(yīng)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(jié)構(gòu)的設(shè)計思想與表征結(jié)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(yīng)用場景。

區(qū)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(shù)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(xiàn)電—熱輸運的協(xié)同調(diào)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(zhì)材料熱電轉(zhuǎn)換規(guī)律的深刻認知。更重要的是，研究團隊建立的系統(tǒng)研究方案，為后續(xù)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