在可穿戴電子設(shè)備越來(lái)越廣泛應(yīng)用的情境下，人們對(duì)其實(shí)現(xiàn)“永不斷電”持續(xù)工作的愿望日益強(qiáng)烈。
中國(guó)科學(xué)家最新提出“無(wú)序中創(chuàng)造有序”新策略，并研制出一種具有不規(guī)則多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的新型熱電聚合物薄膜(IHP-TEP)，該柔性熱電材料有望使電子設(shè)備“永不斷電”的愿望成為現(xiàn)實(shí)。其核心性能指標(biāo)熱電優(yōu)值在約70攝氏度時(shí)達(dá)到1.64，創(chuàng)造了柔性熱電材料性能的同溫區(qū)世界紀(jì)錄。
這項(xiàng)在高性能聚合物熱電材料研制方面取得的重要進(jìn)展，由中國(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)與合作者共同完成，相關(guān)成果于北京時(shí)間3月6日凌晨在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上線發(fā)表。
國(guó)際重大科學(xué)難題和顛覆性技術(shù)
隨著智能手表、健康監(jiān)測(cè)貼片等可穿戴電子設(shè)備的普及，頻繁充電成為這些設(shè)備的共同痛點(diǎn)。若能利用體溫和各種環(huán)境溫差發(fā)電，則有望實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備“永不斷電”。
熱電材料是達(dá)成這一目標(biāo)的關(guān)鍵材料，它可實(shí)現(xiàn)熱能-電能的直接相互轉(zhuǎn)換：當(dāng)材料兩端存在溫差時(shí)，可直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能，即“塞貝克效應(yīng)”；反過(guò)來(lái)，通電后材料一端會(huì)變熱，另一端變冷，即“帕爾貼效應(yīng)”。
這一特性使得高性能熱電材料在廢熱回收、固態(tài)制冷等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景，尤其適用于可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)傳感器等新型電子產(chǎn)品的自供電需求，更被科學(xué)界認(rèn)為是國(guó)際上的重大科學(xué)難題和顛覆性技術(shù)之一。
有機(jī)熱電材料兼具本征柔性與可溶液加工特性，可貼附于多種曲面，將人體熱或環(huán)境的“廢熱”持續(xù)轉(zhuǎn)化為電能。與傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)熱電材料相比，聚合物材料具有質(zhì)輕、柔性好、可大面積印刷等顯著優(yōu)勢(shì)。不過(guò)，長(zhǎng)期以來(lái)，聚合物熱電材料的性能始終落后于無(wú)機(jī)材料。
目前，柔性無(wú)機(jī)材料的熱電優(yōu)值可以達(dá)到1.0-1.4，而有機(jī)熱電材料的熱電優(yōu)值大多低于0.5。2024年，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所團(tuán)隊(duì)將聚合物熱電材料的熱電優(yōu)值提升到1.28，但仍然無(wú)法媲美高性能柔性無(wú)機(jī)材料，且制備過(guò)程復(fù)雜，制約其走向?qū)嵱没?/span>
聚合物熱電性能提升的關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于各性能參數(shù)相互耦合與制約，難以獨(dú)立調(diào)控。理想的熱電材料符合“聲子玻璃-電子晶體”模型：對(duì)熱量傳遞，材料要像“玻璃”一樣具有無(wú)序結(jié)構(gòu)，讓聲子寸步難行；對(duì)電荷傳輸，材料要像“晶體”一樣具有有序的分子堆積，讓電荷暢通無(wú)阻。這種“電-熱輸運(yùn)的協(xié)同調(diào)控”難度極高，成為長(zhǎng)期制約聚合物熱電性能提升的瓶頸。
未來(lái)綠色能源無(wú)處不在觸手可及
在本項(xiàng)研究中，團(tuán)隊(duì)研制的具有不規(guī)則多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的熱電聚合物薄膜，建立“無(wú)序孔增強(qiáng)聲子散射”與“限域增強(qiáng)有序分子組裝”的協(xié)同調(diào)控新機(jī)制。該材料內(nèi)部布滿尺寸各異、形狀不一、分布無(wú)序的納米至微米級(jí)孔洞。這一結(jié)構(gòu)可有效增強(qiáng)多重聲子散射，顯著抑制熱傳導(dǎo)；同時(shí)，納米孔道的限域效應(yīng)促使聚合物分子有序排列，顯著提升電荷輸運(yùn)性能。
形象而言，該結(jié)構(gòu)如同在崎嶇山地中修建高速公路：無(wú)序孔洞迫使熱量“翻山越嶺”寸步難行，而有序分子通道則保障電荷“高速通行”，兩者各司其職，互不干擾，成功實(shí)現(xiàn)電-熱輸運(yùn)的解耦和協(xié)同提升。
研究團(tuán)隊(duì)稱，他們采用“聚合物相分離”方法構(gòu)建該結(jié)構(gòu)：將聚合物半導(dǎo)體PDPPSe-12和聚苯乙烯(常見塑料)溶液均勻混合，溶劑揮發(fā)過(guò)程中，兩者會(huì)發(fā)生相分離。通過(guò)精確控制共混比例等參數(shù)，可調(diào)控孔的大小、數(shù)量和分布。
新型熱電聚合物薄膜的獨(dú)特結(jié)構(gòu)可協(xié)同調(diào)控聲子-邊界散射、聲子-聲子相互作用與尺寸效應(yīng)等，使熱導(dǎo)率降低72%。同時(shí)，孔的限域效應(yīng)增強(qiáng)了分子有序組裝，載流子遷移率最高可提升52%；在溫度約70攝氏度時(shí)熱電優(yōu)值值最高達(dá)到1.64，超越了柔性無(wú)機(jī)熱電材料的同溫區(qū)性能。此外，該結(jié)構(gòu)與噴涂技術(shù)相兼容，在大面積柔性發(fā)電方面具有重要應(yīng)用潛力。
這一最新研究打破了聚合物熱電材料電荷輸運(yùn)與聲子散射難以協(xié)同優(yōu)化的傳統(tǒng)局限，為柔性熱電材料領(lǐng)域提供了新的發(fā)展路徑。未來(lái)，隨著相關(guān)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，人們身邊的“塑料”制品都有可能成為微型發(fā)電站和貼身空調(diào)，讓廢棄熱量成為寶貴資源，使綠色能源無(wú)處不在，觸手可及。
來(lái)源：中國(guó)新聞網(wǎng)
編輯：王譽(yù)林李新花
一審：賈春毅
二審：孫瑞永
三審：王桂林
