“千瘡百孔”是優(yōu)勢(shì)？科學(xué)家造出新型熱電薄膜 | 科技前線

想象一下，晨跑時(shí)我們佩戴著無(wú)需充電的智能手表，僅靠體溫就能持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)；炎炎夏日中，只需在皮膚上貼一片輕薄如紙的貼片，就能感受陣陣清涼。我國(guó)科學(xué)家的最新突破有望讓這些科幻場(chǎng)景加速走進(jìn)現(xiàn)實(shí)。

近日，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所等科研團(tuán)隊(duì)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，為可穿戴發(fā)電設(shè)備、貼附式制冷、物聯(lián)網(wǎng)傳感器等技術(shù)提供了關(guān)鍵材料支撐。

01

從“廢熱”到電能

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年有超過(guò)60%的能源以“廢熱”形式散失，將其有效回收利用可帶來(lái)巨大節(jié)能減排潛力。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，而且整個(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”模型，這成為熱電材料研究的關(guān)鍵科學(xué)目標(biāo)。

02

從“二選一”到“全都要”

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。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。

團(tuán)隊(duì)采用“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），科研人員能精確調(diào)控孔洞的大小、數(shù)量和分布。

相分離過(guò)程中導(dǎo)電聚合物被“擠壓”在狹小空間里，但這種“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。

03

新材料創(chuàng)造新紀(jì)錄

“熱電優(yōu)值”（zT）值是衡量熱電材料性能的核心指標(biāo)，它綜合體現(xiàn)了材料的發(fā)電能力和隔熱能力。長(zhǎng)期以來(lái)，聚合物熱電材料面臨性能瓶頸，核心指標(biāo)zT值遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于無(wú)機(jī)材料。

此前，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。

此次，研究團(tuán)隊(duì)新制備的不規(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0.16W·m-1·K-1；限域效應(yīng)增強(qiáng)分子有序排列，使載流子遷移率最高提升52%。功率因子達(dá)到772μW·m-1·K-2，z

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

04

制造簡(jiǎn)單，前景廣闊

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。

區(qū)別于此前制成高性能柔性熱電材料需要重復(fù)100次的工藝要求，新技術(shù)兼容噴涂工藝——可以像噴漆一樣簡(jiǎn)單，一次成型，也可以像印刷報(bào)紙一樣大面積、低成本制造。未來(lái)或許在衣服面料中就能織入這種材料，成為移動(dòng)電源。

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，而該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。本次研究加深了學(xué)界對(duì)軟物質(zhì)材料熱電轉(zhuǎn)換規(guī)律的深刻認(rèn)知。更重要的是，研究團(tuán)隊(duì)建立的系統(tǒng)研究方案，為后續(xù)研究提供了清晰的路線圖。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx9237

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所

責(zé)任編輯：吳昊 曹旸