中新網(wǎng)北京3月6日電 (記者 孫自法)在可穿戴電子設備越來越廣泛應用的情境下，人們對其實現(xiàn)“永不斷電”持續(xù)工作的愿望日益強烈。

　　中國科學家最新提出“無序中創(chuàng)造有序”新策略，并研制出一種具有不規(guī)則多級孔結構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備“永不斷電”的愿望成為現(xiàn)實。其核心性能指標熱電優(yōu)值在約70攝氏度時達到1.64，創(chuàng)造了柔性熱電材料性能的同溫區(qū)世界紀錄。

　　這項在高性能聚合物熱電材料研制方面取得的重要進展，由中國科學院化學研究所朱道本院士、狄重安研究員團隊與合作者共同完成，相關成果于北京時間3月6日凌晨在國際學術期刊《科學》上線發(fā)表。

　　國際重大科學難題和顛覆性技術

　　隨著智能手表、健康監(jiān)測貼片等可穿戴電子設備的普及，頻繁充電成為這些設備的共同痛點。若能利用體溫和各種環(huán)境溫差發(fā)電，則有望實現(xiàn)電子設備“永不斷電”。

　　熱電材料是達成這一目標的關鍵材料，它可實現(xiàn)熱能-電能的直接相互轉換：當材料兩端存在溫差時，可直接將熱能轉化為電能，即“塞貝克效應”；反過來，通電后材料一端會變熱，另一端變冷，即“帕爾貼效應”。

　　這一特性使得高性能熱電材料在廢熱回收、固態(tài)制冷等領域具有廣闊應用前景，尤其適用于可穿戴設備、物聯(lián)網(wǎng)傳感器等新型電子產品的自供電需求，更被科學界認為是國際上的重大科學難題和顛覆性技術之一。

　　有機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)轉化為電能。與傳統(tǒng)的無機熱電材料相比，聚合物材料具有質輕、柔性好、可大面積印刷等顯著優(yōu)勢。不過，長期以來，聚合物熱電材料的性能始終落后于無機材料。

　　目前，柔性無機材料的熱電優(yōu)值可以達到1.0-1.4，而有機熱電材料的熱電優(yōu)值大多低于0.5。2024年，中國科學院化學研究所團隊將聚合物熱電材料的熱電優(yōu)值提升到1.28，但仍然無法媲美高性能柔性無機材料，且制備過程復雜，制約其走向實用化。

　　聚合物熱電性能提升的關鍵挑戰(zhàn)在于各性能參數(shù)相互耦合與制約，難以獨立調控。理想的熱電材料符合“聲子玻璃-電子晶體”模型：對熱量傳遞，材料要像“玻璃”一樣具有無序結構，讓聲子寸步難行；對電荷傳輸，材料要像“晶體”一樣具有有序的分子堆積，讓電荷暢通無阻。這種“電-熱輸運的協(xié)同調控”難度極高，成為長期制約聚合物熱電性能提升的瓶頸。

　　未來綠色能源無處不在觸手可及

　　在本項研究中，團隊研制的具有不規(guī)則多級孔結構的熱電聚合物薄膜，建立“無序孔增強聲子散射”與“限域增強有序分子組裝”的協(xié)同調控新機制。該材料內部布滿尺寸各異、形狀不一、分布無序的納米至微米級孔洞。這一結構可有效增強多重聲子散射，顯著抑制熱傳導；同時，納米孔道的限域效應促使聚合物分子有序排列，顯著提升電荷輸運性能。

　　形象而言，該結構如同在崎嶇山地中修建高速公路：無序孔洞迫使熱量“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，成功實現(xiàn)電-熱輸運的解耦和協(xié)同提升。

　　研究團隊稱，他們采用“聚合物相分離”方法構建該結構：將聚合物半導體PDPPSe-12和聚苯乙烯(常見塑料)溶液均勻混合，溶劑揮發(fā)過程中，兩者會發(fā)生相分離。通過精確控制共混比例等參數(shù)，可調控孔的大小、數(shù)量和分布。

　　新型熱電聚合物薄膜的獨特結構可協(xié)同調控聲子-邊界散射、聲子-聲子相互作用與尺寸效應等，使熱導率降低72%。同時，孔的限域效應增強了分子有序組裝，載流子遷移率最高可提升52%；在溫度約70攝氏度時熱電優(yōu)值值最高達到1.64，超越了柔性無機熱電材料的同溫區(qū)性能。此外，該結構與噴涂技術相兼容，在大面積柔性發(fā)電方面具有重要應用潛力。

　　這一最新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，為柔性熱電材料領域提供了新的發(fā)展路徑。未來，隨著相關技術的持續(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，讓廢棄熱量成為寶貴資源，使綠色能源無處不在，觸手可及。(完)