北京時(shí)間3月6日，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所朱道本院士/狄重安研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國(guó)內(nèi)合作者在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《Science》上發(fā)表研究成果，他們研制出一種具有不規(guī)則多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的塑料熱電薄膜，其核心性能指標(biāo)一舉突破1.64，創(chuàng)造了柔性熱電材料的同溫區(qū)性能紀(jì)錄，為可穿戴發(fā)電設(shè)備、貼附式制冷、物聯(lián)網(wǎng)傳感器等未來(lái)技術(shù)提供了關(guān)鍵材料支撐。

這項(xiàng)突破有望讓許多科幻場(chǎng)景加速走進(jìn)現(xiàn)實(shí)：清晨戴著智能手表晨跑，手表無(wú)需充電，僅靠體溫就能持續(xù)工作；炎炎夏日，一片輕薄如紙的貼片貼在皮膚上，就能帶來(lái)清涼。

瓶頸·聚合物如何成為高性能熱電材料

據(jù)介紹，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?；趦煞N基本物理效應(yīng)：當(dāng)材料兩端存在溫差時(shí)，熱能可直接轉(zhuǎn)化為電能，這種現(xiàn)象稱為“塞貝克效應(yīng)”；反過(guò)來(lái)，通電后材料的一端會(huì)變熱，另一端會(huì)變冷，這就是“帕爾貼效應(yīng)”。這兩種效應(yīng)使熱電材料既能發(fā)電又能制冷，整個(gè)過(guò)程無(wú)需燃料、無(wú)噪音、無(wú)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(wú)聲息地將周圍的“廢熱”轉(zhuǎn)化為電能。理想的柔性熱電材料需要同時(shí)滿足兩種看似矛盾的特性：既要具備類似晶體的高電導(dǎo)率，以保證電荷高效輸運(yùn)；又要擁有類似玻璃的低熱導(dǎo)率，以抑制熱量傳導(dǎo)。科學(xué)界稱之為“聲子玻璃-電子晶體”理想模型，成為熱電材料研究的關(guān)鍵科學(xué)目標(biāo)。

聚合物作為熱電材料具有天然優(yōu)勢(shì)：本身柔軟可彎曲，可通過(guò)噴涂、印刷等簡(jiǎn)單方法大面積制備，成本遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)無(wú)機(jī)材料。但長(zhǎng)期以來(lái)，聚合物熱電材料面臨性能瓶頸，核心指標(biāo)“熱電優(yōu)值”（zT值）遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后。理想的熱電材料應(yīng)該像“電子高速公路”一樣讓電流暢通無(wú)阻，同時(shí)又像“保溫杯”一樣阻止熱量流動(dòng)。目前，國(guó)際報(bào)道的高性能柔性無(wú)機(jī)熱電材料的zT值可以達(dá)到1.0-1.4，而聚合物材料通常徘徊在0.5以下。2024年，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所朱道本院士/狄重安研究員團(tuán)隊(duì)將聚合物熱電材料的zT值提升到1.28，但仍低于柔性無(wú)機(jī)材料，成為制約其走向?qū)嵱没年P(guān)鍵瓶頸。

熱電材料面臨一個(gè)經(jīng)典矛盾：發(fā)電效率高需同時(shí)滿足電流暢通（高電導(dǎo)率），和阻止熱量流失（低熱導(dǎo)率），這就像要求一扇門(mén)既隔音又透氣，看似不可能。科學(xué)界此前提出了“聲子玻璃-電子晶體”模型，期望設(shè)計(jì)一種材料滿足兩種矛盾性需求：對(duì)熱量傳遞，材料要像“玻璃”般有混亂無(wú)序的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，讓聲子傳輸像盲人走迷宮，難覓出路；對(duì)電荷傳輸，材料要像“晶體”般把分子排列得整齊有序，讓電子像高鐵在筆直軌道上疾馳，暢通無(wú)阻。這種微觀世界的“雙面性格”為高性能熱電材料設(shè)計(jì)提出巨大挑戰(zhàn)。

聚合物結(jié)構(gòu)的有序與無(wú)序往往相互制約——分子排列整齊可提高電導(dǎo)率，但熱導(dǎo)率隨之上升；引入無(wú)序結(jié)構(gòu)降低熱導(dǎo)率，電導(dǎo)率又會(huì)顯著下降。因此，同時(shí)擁有電子高速公路的暢通性和聲子迷宮的隔熱效果，在傳統(tǒng)思路下幾乎不可能實(shí)現(xiàn)。這一“電-熱輸運(yùn)的耦合限制”像一道無(wú)形的天花板，限制了聚合物熱電材料性能的提升。

突破·在無(wú)序中創(chuàng)造有序

研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性提出在無(wú)序中創(chuàng)造有序的“無(wú)序-有序”協(xié)同調(diào)控理念。在材料中構(gòu)建一種特殊的“多孔無(wú)序-狹道有序”雙重結(jié)構(gòu)：整體上看，材料像海綿一樣布滿了從5.9納米到1.8微米的孔洞，大小不同、形狀各異、分布無(wú)序；而納米級(jí)的孔隙則像“模具”，幫助聚合物分子排列整齊、高度有序。就像在崎嶇山嶺間修建高速公路，無(wú)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(shí)現(xiàn)了電-熱輸運(yùn)的解耦和協(xié)同提升。

研究團(tuán)隊(duì)采用了“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(huì)自然分離一樣，研究人員將兩種高分子材料——PDPPSe-12（聚合物半導(dǎo)體）和PS（聚苯乙烯，一種常見(jiàn)塑料）溶解混合，在溶劑揮發(fā)過(guò)程中，兩種聚合物通過(guò)分相自然“分家”。通過(guò)精確控制條件（比如聚合物的配比等），科學(xué)家就能精確調(diào)控孔洞的大小、數(shù)量和分布。

值得注意的是，相分離過(guò)程中導(dǎo)電聚合物被“擠壓”在狹小空間里，這種“限域效應(yīng)”反而促進(jìn)了分子的有序排列，就像人群在狹窄通道中會(huì)自然排成整齊隊(duì)列。由此，孔洞的無(wú)序和分子的有序就同時(shí)實(shí)現(xiàn)了。此前團(tuán)隊(duì)制備的高性能柔性熱電材料需要重復(fù)100次才能制成，而通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)兼容噴涂工藝——就像噴漆一樣簡(jiǎn)單，一次成型。

IHP-TEP結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想與表征結(jié)果

研究團(tuán)隊(duì)制備的不規(guī)則多級(jí)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(dǎo)率大幅降低72%，僅為0.16 W?m?1?K?1；限域效應(yīng)增強(qiáng)分子有序排列，就像從“鄉(xiāng)間小路”升級(jí)為“高速公路”，使載流子遷移率最高提升52%。功率因子達(dá)到772 μW?m?1?K?2，zT值突破1.64，實(shí)現(xiàn)了聚合物熱電材料zT>1.5的歷史性跨越，創(chuàng)造了柔性熱電材料的世界紀(jì)錄。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)深入的機(jī)制研究發(fā)現(xiàn)，IHP-TEP結(jié)構(gòu)能夠協(xié)同調(diào)控多重聲子散射來(lái)顯著抑制熱傳導(dǎo)。雜亂無(wú)章的孔洞表面不斷散射傳遞熱量的聲子，而不同尺寸的狹縫則能夠像篩子篩選顆粒一樣散射不同波長(zhǎng)的聲子；同時(shí)，無(wú)序的狹縫分布增強(qiáng)了聲子之間的碰撞和相互作用，進(jìn)一步降低了熱傳導(dǎo)。這三種機(jī)制相互配合、協(xié)同作用，構(gòu)建起了一道道“熱量關(guān)卡”，有效阻止了熱量傳遞。在降低熱傳導(dǎo)的同時(shí)，這一結(jié)構(gòu)又巧妙地創(chuàng)造了高效電荷傳輸通道，使其高度接近“聲子玻璃-電子晶體”的理想模型，從而有利于性能的大幅提升。

前景·自供電與“廢熱化能”

據(jù)悉，這項(xiàng)技術(shù)最直接的應(yīng)用就是可穿戴電子設(shè)備的自供電。人體與環(huán)境之間通常存在5-10 ℃的溫差，足以讓熱電塑料薄膜產(chǎn)生可觀的電能。該材料與噴涂工藝相兼容，可以像印刷報(bào)紙一樣大面積、低成本制造。未來(lái)的衣服面料中就能織入這種材料，穿在身上就是一個(gè)移動(dòng)電源！物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，數(shù)以億計(jì)的傳感器需要部署在各種環(huán)境中，更換電池將是巨大挑戰(zhàn)，而熱電材料提供了完美解決方案。無(wú)論是建筑外墻還是野外環(huán)境，只要有溫差存在，就能為傳感器提供源源不斷的電能。而有機(jī)材料的柔性特點(diǎn)，使其可以貼附在各種曲面，大大拓展了應(yīng)用場(chǎng)景。

這項(xiàng)研究不僅是一項(xiàng)技術(shù)突破，更是對(duì)軟物質(zhì)材料熱電轉(zhuǎn)換規(guī)律的深刻認(rèn)知。長(zhǎng)期以來(lái)，人們認(rèn)為在弱相互作用主導(dǎo)的有機(jī)材料中，很難實(shí)現(xiàn)電-熱輸運(yùn)的協(xié)同調(diào)控，而這項(xiàng)研究突破了這一限制，推動(dòng)聚合物熱電材料跨入了實(shí)用化的門(mén)檻。更重要的是，研究團(tuán)隊(duì)建立了系統(tǒng)研究方案，為后續(xù)研究提供了清晰的路線圖。當(dāng)然，從實(shí)驗(yàn)室成果到大規(guī)模應(yīng)用，還需要進(jìn)一步研究。但這項(xiàng)研究已經(jīng)展示了一個(gè)圖景：在未來(lái)，我們身邊的每一件“塑料”制品，都可能成為一個(gè)微型發(fā)電站；廢棄的熱量將是寶貴的能源，無(wú)處不在，觸手可及。