北京时间3月6日，中国科学院化学研究所朱道本院士/狄重安研究员团队联合国内合作者在国际学术期刊《Science》上发表研究成果，他们研制出一种具有不规则多级孔结构的塑料热电薄膜，其核心性能指标一举突破1.64，创造了柔性热电材料的同温区性能纪录，为可穿戴发电设备、贴附式制冷、物联网传感器等未来技术提供了关键材料支撑。
这项突破有望让许多科幻场景加速走进现实：清晨戴着智能手表晨跑，手表无需充电，仅靠体温就能持续工作；炎炎夏日，一片轻薄如纸的贴片贴在皮肤上，就能带来清凉。
瓶颈·聚合物如何成为高性能热电材料
据介绍，热电材料堪称“能量魔术师”，能够实现热能和电能之间的转换。基于两种基本物理效应：当材料两端存在温差时，热能可直接转化为电能，这种现象称为“塞贝克效应”；反过来，通电后材料的一端会变热，另一端会变冷，这就是“帕尔贴效应”。这两种效应使热电材料既能发电又能制冷，整个过程无需燃料、无噪音、无污染，是新型绿色能源技术的典型代表。柔性热电材料兼具柔韧性和可弯折性，可以贴附在人体、衣物或任何曲面，悄无声息地将周围的“废热”转化为电能。理想的柔性热电材料需要同时满足两种看似矛盾的特性：既要具备类似晶体的高电导率，以保证电荷高效输运；又要拥有类似玻璃的低热导率，以抑制热量传导。科学界称之为“声子玻璃-电子晶体”理想模型，成为热电材料研究的关键科学目标。
聚合物作为热电材料具有天然优势：本身柔软可弯曲，可通过喷涂、印刷等简单方法大面积制备，成本远低于传统无机材料。但长期以来，聚合物热电材料面临性能瓶颈，核心指标“热电优值”（zT值）远远落后。理想的热电材料应该像“电子高速公路”一样让电流畅通无阻，同时又像“保温杯”一样阻止热量流动。目前，国际报道的高性能柔性无机热电材料的zT值可以达到1.0-1.4，而聚合物材料通常徘徊在0.5以下。2024年，中国科学院化学研究所朱道本院士/狄重安研究员团队将聚合物热电材料的zT值提升到1.28，但仍低于柔性无机材料，成为制约其走向实用化的关键瓶颈。
热电材料面临一个经典矛盾：发电效率高需同时满足电流畅通（高电导率），和阻止热量流失（低热导率），这就像要求一扇门既隔音又透气，看似不可能。科学界此前提出了“声子玻璃-电子晶体”模型，期望设计一种材料满足两种矛盾性需求：对热量传递，材料要像“玻璃”般有混乱无序的内部结构特征，让声子传输像盲人走迷宫，难觅出路；对电荷传输，材料要像“晶体”般把分子排列得整齐有序，让电子像高铁在笔直轨道上疾驰，畅通无阻。这种微观世界的“双面性格”为高性能热电材料设计提出巨大挑战。
聚合物结构的有序与无序往往相互制约——分子排列整齐可提高电导率，但热导率随之上升；引入无序结构降低热导率，电导率又会显著下降。因此，同时拥有电子高速公路的畅通性和声子迷宫的隔热效果，在传统思路下几乎不可能实现。这一“电-热输运的耦合限制”像一道无形的天花板，限制了聚合物热电材料性能的提升。
突破·在无序中创造有序
研究团队创新性提出在无序中创造有序的“无序-有序”协同调控理念。在材料中构建一种特殊的“多孔无序-狭道有序”双重结构：整体上看，材料像海绵一样布满了从5.9纳米到1.8微米的孔洞，大小不同、形状各异、分布无序；而纳米级的孔隙则像“模具”，帮助聚合物分子排列整齐、高度有序。就像在崎岖山岭间修建高速公路，无序孔洞迫使热量不断“翻山越岭”，寸步难行；有序分子通道则保障了电子的“高速通行”。两者各司其职，互不干扰，成功实现了电-热输运的解耦和协同提升。
研究团队采用了“聚合物相分离”方法制造上述结构，就像油和水混合后会自然分离一样，研究人员将两种高分子材料——PDPPSe-12（聚合物半导体）和PS（聚苯乙烯，一种常见塑料）溶解混合，在溶剂挥发过程中，两种聚合物通过分相自然“分家”。通过精确控制条件（比如聚合物的配比等），科学家就能精确调控孔洞的大小、数量和分布。
值得注意的是，相分离过程中导电聚合物被“挤压”在狭小空间里，这种“限域效应”反而促进了分子的有序排列，就像人群在狭窄通道中会自然排成整齐队列。由此，孔洞的无序和分子的有序就同时实现了。此前团队制备的高性能柔性热电材料需要重复100次才能制成，而通过这项技术兼容喷涂工艺——就像喷漆一样简单，一次成型。
IHP-TEP结构的设计思想与表征结果
研究团队制备的不规则多级孔热电塑料（IHP-TEP）薄膜取得了一系列性能突破：高效声子散射使热导率大幅降低72%，仅为0.16 W•m⁻¹•K⁻¹；限域效应增强分子有序排列，就像从“乡间小路”升级为“高速公路”，使载流子迁移率最高提升52%。功率因子达到772 μW•m⁻¹•K⁻²，zT值突破1.64，实现了聚合物热电材料zT>1.5的历史性跨越，创造了柔性热电材料的世界纪录。
研究团队通过深入的机制研究发现，IHP-TEP结构能够协同调控多重声子散射来显著抑制热传导。杂乱无章的孔洞表面不断散射传递热量的声子，而不同尺寸的狭缝则能够像筛子筛选颗粒一样散射不同波长的声子；同时，无序的狭缝分布增强了声子之间的碰撞和相互作用，进一步降低了热传导。这三种机制相互配合、协同作用，构建起了一道道“热量关卡”，有效阻止了热量传递。在降低热传导的同时，这一结构又巧妙地创造了高效电荷传输通道，使其高度接近“声子玻璃-电子晶体”的理想模型，从而有利于性能的大幅提升。
前景·自供电与“废热化能”
据悉，这项技术最直接的应用就是可穿戴电子设备的自供电。人体与环境之间通常存在5-10 ℃的温差，足以让热电塑料薄膜产生可观的电能。该材料与喷涂工艺相兼容，可以像印刷报纸一样大面积、低成本制造。未来的衣服面料中就能织入这种材料，穿在身上就是一个移动电源！物联网时代，数以亿计的传感器需要部署在各种环境中，更换电池将是巨大挑战，而热电材料提供了完美解决方案。无论是建筑外墙还是野外环境，只要有温差存在，就能为传感器提供源源不断的电能。而有机材料的柔性特点，使其可以贴附在各种曲面，大大拓展了应用场景。
这项研究不仅是一项技术突破，更是对软物质材料热电转换规律的深刻认知。长期以来，人们认为在弱相互作用主导的有机材料中，很难实现电-热输运的协同调控，而这项研究突破了这一限制，推动聚合物热电材料跨入了实用化的门槛。更重要的是，研究团队建立了系统研究方案，为后续研究提供了清晰的路线图。当然，从实验室成果到大规模应用，还需要进一步研究。但这项研究已经展示了一个图景：在未来，我们身边的每一件“塑料”制品，都可能成为一个微型发电站；废弃的热量将是宝贵的能源，无处不在，触手可及。
(审核编辑: 朝言)
