新型柔性聚合物材料熱電性能刷新世界紀錄
來源：科技日報 時間：2026-03-06 16:47
智能手表靠體溫供電、衣服變成隨身電源，這些曾經(jīng)只存在于科幻電影中的場景，正加速照進現(xiàn)實。中國科學(xué)院化學(xué)研究所朱道本院士、狄重安研究員團隊研制出一種“千瘡百孔”的新型柔性熱電薄膜，熱電性能刷新同類材料的世界紀錄，為可穿戴設(shè)備自供電、貼片式制冷等未來技術(shù)提供了關(guān)鍵材料支撐。相關(guān)研究成果3月6日在線發(fā)表于《科學(xué)》。
熱電材料就像一位“能量魔術(shù)師”，能在熱能和電能之間自由轉(zhuǎn)換。它的魔法基于兩種基本現(xiàn)象：當(dāng)材料兩端有溫差時，它會直接發(fā)電，這叫“塞貝克效應(yīng)”；反過來，給它通上電，材料就會一頭熱、一頭冷，這叫“帕爾貼效應(yīng)”。簡單來說，它既能用溫差發(fā)電，也能用電來制冷。整個過程不需要燃料，沒有噪音，也沒有污染，是典型的綠色能源技術(shù)。
與傳統(tǒng)無機熱電材料相比，聚合物材料具有質(zhì)輕、柔性好、可溶液加工、適合大面積印刷等優(yōu)勢，是實現(xiàn)可穿戴設(shè)備自供電的理想選擇之一。然而，長期以來，聚合物熱電材料的性能提升卻面臨瓶頸。這里有個“魚和熊掌不可兼得”的難題：要讓電流跑得快，聚合物就得像晶體一樣，內(nèi)部分子排列整齊；要讓熱量傳得慢，材料又得像玻璃一樣，內(nèi)部結(jié)構(gòu)雜亂。這就像要求一扇門既隔音又透氣，傳統(tǒng)聚合物材料沒法同時滿足這兩個條件。
IHP-TEP結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想與表征結(jié)果。（中國科學(xué)院化學(xué)研究所供圖）
在這項研究中，研究團隊想出了妙招：在亂糟糟的孔洞之間，給導(dǎo)電分子修“專用車道”。具體來說，他們把兩種塑料混合后讓它們自然“分家”，雜亂的孔洞負責(zé)打亂熱量傳遞路線，狹窄的縫隙強迫導(dǎo)電分子排好隊。這就好比在山嶺間修高速公路——崇山峻嶺攔住熱量，平整車道加速電流。
這種結(jié)構(gòu)顯著抑制熱傳導(dǎo)，使熱導(dǎo)率降低72%，同時，導(dǎo)電能力卻提升了52%，成功實現(xiàn)了電-熱輸運的解耦和協(xié)同提升。更關(guān)鍵的是，它能像噴油漆一樣噴涂成型，一次就能搞定。
研究顯示，這種不規(guī)則多級孔結(jié)構(gòu)的熱電聚合物薄膜在343開爾文（約70攝氏度）下的熱電優(yōu)值最高達到1.64，超越了柔性無機熱電材料的同溫區(qū)性能。
這一研究打破了聚合物熱電材料電荷輸運與聲子散射難以協(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，隨著相關(guān)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，利用體溫和環(huán)境溫差發(fā)電的柔性電子設(shè)備有望加速走進現(xiàn)實生活。（陸成寬）
責(zé)任編輯：王奕博
