北京時間3月6日，中國科學(xué)院化學(xué)研究所朱道本院士/狄重安研究員團隊聯(lián)合國內(nèi)合作者在國際學(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)傳感器等未來技術(shù)提供了關(guān)鍵材料支撐。

這項突破有望讓許多科幻場景加速走進現(xiàn)實：清晨戴著智能手表晨跑，手表無需充電，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，熱能可直接轉(zhuǎn)化為電能，這種現(xiàn)象稱為“塞貝克效應(yīng)”；反過來，通電后材料的一端會變熱，另一端會變冷，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需要同時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；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：本身柔軟可彎曲，可通過噴涂、印刷等簡單方法大面積制備，成本遠低于傳統(tǒng)無機材料。但長期以來，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）遠遠落后。理想的熱電材料應(yīng)該像“電子高速公路”一樣讓電流暢通無阻，同時又像“保溫杯”一樣阻止熱量流動。目前，國際報道的高性能柔性無機熱電材料的zT值可以達到1.0-1.4，而聚合物材料通常徘徊在0.5以下。2024年，中國科學(xué)院化學(xué)研究所朱道本院士/狄重安研究員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。

熱電材料面臨一個經(jīng)典矛盾：發(fā)電效率高需同時滿足電流暢通（高電導(dǎo)率），和阻止熱量流失（低熱導(dǎo)率），這就像要求一扇門既隔音又透氣，看似不可能?？茖W(xué)界此前提出了“聲子玻璃-電子晶體”模型，期望設(shè)計一種材料滿足兩種矛盾性需求：對熱量傳遞，材料要像“玻璃”般有混亂無序的內(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，暢通無阻。這種微觀世界的“雙面性格”為高性能熱電材料設(shè)計提出巨大挑戰(zhàn)。

聚合物結(jié)構(gòu)的有序與無序往往相互制約——分子排列整齊可提高電導(dǎo)率，但熱導(dǎo)率隨之上升；引入無序結(jié)構(gòu)降低熱導(dǎo)率，電導(dǎo)率又會顯著下降。因此，同時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現(xiàn)。這一“電-熱輸運的耦合限制”像一道無形的天花板，限制了聚合物熱電材料性能的提升。

突破·在無序中創(chuàng)造有序

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。在材料中構(gòu)建一種特殊的“多孔無序-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、分布無序；而納米級的孔隙則像“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。

研究團隊采用了“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，一種常見塑料）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。此前團隊制備的高性能柔性熱電材料需要重復(fù)100次才能制成，而通過這項技術(shù)兼容噴涂工藝——就像噴漆一樣簡單，一次成型。

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

研究團隊制備的不規(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(dǎo)率大幅降低72%，僅為0.16 W?m?1?K?1；限域效應(yīng)增強分子有序排列，就像從“鄉(xiāng)間小路”升級為“高速公路”，使載流子遷移率最高提升52%。功率因子達到772 μW?m?1?K?2，zT值突破1.64，實現(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。

研究團隊通過深入的機制研究發(fā)現(xiàn)，IHP-TEP結(jié)構(gòu)能夠協(xié)同調(diào)控多重聲子散射來顯著抑制熱傳導(dǎo)。雜亂無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的聲子；同時，無序的狹縫分布增強了聲子之間的碰撞和相互作用，進一步降低了熱傳導(dǎo)。這三種機制相互配合、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，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，可以像印刷報紙一樣大面積、低成本制造。未來的衣服面料中就能織入這種材料，穿在身上就是一個移動電源！物聯(lián)網(wǎng)時代，數(shù)以億計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。

這項研究不僅是一項技術(shù)突破，更是對軟物質(zhì)材料熱電轉(zhuǎn)換規(guī)律的深刻認(rèn)知。長期以來，人們認(rèn)為在弱相互作用主導(dǎo)的有機材料中，很難實現(xiàn)電-熱輸運的協(xié)同調(diào)控，而這項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。更重要的是，研究團隊建立了系統(tǒng)研究方案，為后續(xù)研究提供了清晰的路線圖。當(dāng)然，從實驗室成果到大規(guī)模應(yīng)用，還需要進一步研究。但這項研究已經(jīng)展示了一個圖景：在未來，我們身邊的每一件“塑料”制品，都可能成為一個微型發(fā)電站；廢棄的熱量將是寶貴的能源，無處不在，觸手可及。