據(jù)中國科學(xué)院官網(wǎng)信息，其化學(xué)研究所研究團(tuán)隊(duì)近日成功開發(fā)出一種具有不規(guī)則多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的柔性熱電塑料薄膜。該成果已正式發(fā)表在國際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《Science》上。這項(xiàng)技術(shù)能夠直接將環(huán)境溫差（如人體熱量）轉(zhuǎn)化為電能，且全過程無污染、無噪音，為可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)傳感器及貼附式制冷技術(shù)提供了關(guān)鍵的材料支撐。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年有超過60%的能源最終以“廢熱”的形式散失到環(huán)境中。如何高效回收這些熱能，一直是能源領(lǐng)域的難題。熱電材料被譽(yù)為“能量魔術(shù)師”，能夠?qū)崿F(xiàn)熱能與電能的直接轉(zhuǎn)換。然而，傳統(tǒng)的熱電材料往往質(zhì)地堅(jiān)硬、易碎，難以應(yīng)用于人體或曲面設(shè)備。

理想的柔性熱電材料需要同時(shí)滿足兩個(gè)看似矛盾的條件：既要像晶體一樣擁有高電導(dǎo)率，以保證電荷高效傳輸；又要像玻璃一樣擁有低熱導(dǎo)率，以阻止熱量快速流失從而維持溫差。科學(xué)界將這一目標(biāo)稱為“聲子玻璃—電子晶體”模型。長期以來，受限于有機(jī)材料弱相互作用的特性，這一目標(biāo)極難實(shí)現(xiàn)。

中科院團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性提出了“無序—有序”協(xié)同調(diào)控理念，成功破解了這一難題。

圖源：Science

該團(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），科研人員能精確調(diào)控孔洞的大小、數(shù)量和分布。相分離過程中導(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，孔洞的無序和分子的有序就同時(shí)實(shí)現(xiàn)了。

這種類似海綿的結(jié)構(gòu)發(fā)揮了雙重作用：一方面，無序的孔洞迫使負(fù)責(zé)傳遞熱量的微觀振動(dòng)（聲子）不斷“翻山越嶺”，使熱導(dǎo)率大幅降低72%，僅為0.16W·m-1·K-1，有效鎖住了熱量；另一方面，孔洞內(nèi)部的狹小空間產(chǎn)生了“限域效應(yīng)”，迫使聚合物分子排列得更加緊密整齊，如同人群在狹窄通道中自然排成隊(duì)列，從而構(gòu)建出高效的電荷傳輸通道，使電子遷移率最高提升52%。

數(shù)據(jù)顯示，在約70°C的條件下，這種名為IHP-TEP的新型薄膜熱電優(yōu)值（zT）達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的1.64。這不僅超越了此前聚合物材料1.28的世界紀(jì)錄，甚至優(yōu)于部分柔性無機(jī)材料，實(shí)現(xiàn)了聚合物熱電材料zT>1.5的歷史性跨越。

除了性能卓越，該材料的制備工藝也極具商業(yè)潛力。與此前高性能柔性材料需要復(fù)雜、重復(fù)上百次的工藝不同，新技術(shù)兼容簡單的噴涂工藝。研究人員表示，這種薄膜可以像噴漆一樣一次成型，也可以像印刷報(bào)紙一樣進(jìn)行大面積、低成本的大規(guī)模生產(chǎn)。

這意味著，未來這種材料可以被直接織入衣物面料，成為隨身的“移動(dòng)電源”；或者制成超薄貼片，為醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備、智能穿戴產(chǎn)品提供源源不斷的綠色電力。

中科院化學(xué)所的這一突破，不僅加深了學(xué)界對(duì)軟物質(zhì)材料熱電轉(zhuǎn)換規(guī)律的認(rèn)知，更建立了一套清晰的研究路線圖。