点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:我国科学家在高性能聚合物热电材料研制方面取得重要进展
首页> 科技频道> 综合新闻 > 正文

我国科学家在高性能聚合物热电材料研制方面取得重要进展

来源:光明网2024-07-25 20:24

 光明网讯 7月25日,记者从中国科学院化学研究所获悉,来自该所等单位的科研人员研发出新型高性能聚合物热电材料——PMHJ薄膜,有望大幅提升材料的热电性能,为高性能塑料基热电材料研究提供了全新思路。相关研究成果在线发表于《自然》杂志。

  碳元素可以与氢、氧、氮、磷、硫等元素形成化学键,从而构建出各种有机分子,这些分子单体通过周期性的键合可以形成高分子量的聚合物。目前,人工合成的聚合物,尤其是塑料,已经成为人们日常生活和高科技领域无处不在且不可缺少的材料体系。传统的聚合物为绝缘体,而在上世纪70年代,美国科学家艾伦·黑格、艾伦·马克迪尔米德和日本科学家白川英树发现碘掺杂的聚乙炔具备导电能力,彻底颠覆了“塑料不能导电”的传统认知,获得2000年诺贝尔化学奖。这一重要科学发现不但掀起了导电聚合物和其它光电分子材料的研究热潮,还催生了有机发光二极管(OLED)等电子产业,让光彩夺目的显示屏走进了我们的日常生活。

  导电聚合物不但具有和传统塑料类似的柔性、易加工性和低成本等特点,还可以通过分子设计和化学掺杂携带电荷,从而表现出导电性。更为神奇的是,很多导电聚合物可以作为热电材料。也就是说,当在聚合物薄膜上施加温度差时,材料两端就会产生电动势(塞贝克效应);而当在材料两端构建导电回路并施加电压时,导电塑料薄膜的两端也会产生温度差(帕尔贴效应)。基于这些现象,人们就可以利用轻质与柔软的塑料来实现温差发电,发展贴附式和可穿戴的绿色能源;也有望将其编织成塑料纤维,变成可以控制温度的服装。这些功能的实现都需要发展高性能的聚合物热电材料,该领域的研究成为材料科学的前沿热点和最具挑战的方向之一。

  高性能热电材料应具备高塞贝克系数、高电导率和低热导率,而理想的模型就是“声子玻璃-电子晶体”模型。具体来说,材料需要像玻璃一样阻挡热量(声子)传导,但又像晶体一样允许电荷自由移动,也就是让声子“寸步难行”而让电荷“畅通无阻”。科学界普遍认为,聚合物具有声子玻璃特征,从而具有本征低热导率。而实际上,很多高电导聚合物薄膜具有有序分子排列的结晶区,和理想的“声子玻璃”有很大差异,直接制约了聚合物热电性能的提高。而在过去十余年中,人们利用分子创制、组装和掺杂调控聚合物薄膜的塞贝克系数、电导率及其制约关系,但其热电优值一直停留在0.5附近,远低于商品化无机热电材料的性能,这一性能困境直接制约了塑料基热电材料领域的发展。

  中国科学院化学研究所朱道本/狄重安研究团队、北京航空航天大学赵立东课题组及国内外其他七个研究团队合作,提出并构建了聚合物多周期异质结(PMHJ)热电材料。具体而言,就是利用两种不同的聚合物构建周期有序的纳米结构,其中每种聚合物的厚度均小于10纳米,两种材料的界面约为2个分子层的厚度,并且界面层内部呈现体相混合的特征。这一纳米限域的结构不但可以保证有效的电荷传输,同时可以高效散射声子与类声子传播。也就是说,PMHJ薄膜相对普通聚合物薄膜更接近“声子玻璃-电子晶体”模型,有望大幅提升材料的热电性能,从而为高性能塑料基热电材料的研究提供了全新思路。

我国科学家在高性能聚合物热电材料研制方面取得重要进展

  高性能塑料基热电材料结构示意图。(中国科学院化学研究所供图)

  研究团队利用中国科学院化学研究所张德清课题组和英国牛津大学Iain McCulloch课题组发展的PDPPSe-12和PBTTT两种聚合物,以及韩国蔚山科学技术院BongSoo Kim课题组发展的交联剂,结合分子交联方法,构筑了具有不同结构特征的PMHJ薄膜。通过系统实验及与清华大学王冬课题组的理论合作研究,揭示了其热导率的尺寸效应和界面漫反射效应。当单层厚度接近共轭骨架的“声子”平均自由程时,界面散射明显增强,薄膜的晶格热导率降低70%以上。当两种聚合物及其界面层厚度分别为6.30.5、4.20.4和3.90.4纳米时,氯化铁掺杂的PMHJ薄膜展现出优异的电输运性质,368 K下的热电优值(ZT)为1.28,达到商品化材料的室温区热电性能水平,直接带动塑料基热电材料步入ZT>1.0时代。此外,PMHJ结构具有优异的普适性,其加工方式与溶液法制备技术兼容,在柔性供能器件方面具有重要应用潜力。

  上述研究打破了现有高性能聚合物热电材料不依赖热输运调控的认知局限,为塑料基热电材料领域的持续突破提供了新路径。

  “用体温为手机充电,让篝火成为野营的电力之源……”,这些都是人们对未来绿色能源的美好愿景。也许在不久的将来,“热电塑料”和“温差”的邂逅能够产生各种“触手可及”的清洁能源,实现所有的奇思妙想。(宋雅娟)

 

[ 责编:肖春芳 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 青海湖畔养路工

  • 多彩活动迎端午

独家策划

推荐阅读
历时8年、由全球多个机构38位科学家共同完成的一项国际研究发现,线粒体并非通过简单扩散为细胞核提供能量,而是铺设“专线”供能,即通过一种此前未知的直接物理连接将能量分子定向输送至细胞核。
2026-06-18 10:33
近日,2026年上海国际养老、辅具及康复医疗博览会落幕。本次展会直观印证,人工智能既是夯实基础养老保障的务实抓手,更是释放银发经济增长潜力的核心引擎。
2026-06-18 10:32
奇索姆不会中文,叶子不会英文,但这并没有妨碍两人在短短几分钟内就交上了朋友,她们的“秘密武器”正是人工智能(AI)。
2026-06-18 10:29
高精度感知技术如何打破实验室的“围墙”,深度融入我们的日常生活?答案,就藏在量子科技与芯片工程的交汇点——让量子“住”进芯片。
2026-06-18 10:28
如各大顶尖研究型高校一样,数学学科的全球竞争力需要长期稳定的支持,时间会证明数学研究和人才培养的后劲十足。
2026-06-18 10:24
与依赖相对固定会话管理结构的传统5G核心网络不同,新技术引入AI驱动的预测与控制能力,可根据不同业务需求实时优化会话管理、数据传输路径和服务质量,实现网络资源的动态调度。未来,团队还计划开发支持低轨卫星通信的核心网与传输网融合技术,构建融合业务、计算和网络的新一代6G核心架构。
2026-06-17 09:32
荷兰阿姆斯特丹大学医疗中心研究人员宣布,他们开展的全球首例针对遗传性疾病的体内CRISPR疗法三期临床试验取得成功。这把“剪刀”,为许多遗传性疾病患者剪开了新天地,预示着遗传病治疗或将从“延缓病情”迈向“治愈疾病”的新时代。
2026-06-17 09:28
交通运输是维系国民经济运行的重要基础,在碳排放总量中,交通运输领域占比高、减排难度大。针对水路运输降碳难题,我国正聚焦核心技术攻坚、示范船舶落地、配套体系完善,多措并举突破行业绿色转型壁垒。
2026-06-17 09:23
未来产业培育周期长、市场风险大,单一政策工具难以奏效,必须构建覆盖全生命周期、多元主体协同发力的政策矩阵。未来产业发展涉及面广、风险点多、迭代速度快,必须突破条块分割,构建集中统一、协同高效、安全可控的现代化治理体系。
2026-06-17 09:18
深海水虱是一种生活在深海的巨型甲壳动物,在缺乏稳定食物供给的情况下可存活五年之久。深海环境黑暗、寒冷、食物极度匮乏,如何克服寡营养环境对生存的威胁是深海生物面临的最大挑战。
2026-06-17 09:15
韩国首尔国立大学工程学院科学家研制出一款高性能有机发光二极管,集成了高导电性透明金属电极,透光率超过93%,有望在先进显示器等众多领域大显身手。所得器件兼具优异的透明度与电致发光性能,底层的有机层也安然无恙,充分彰显出该技术在下一代透明显示应用中的巨大潜力。
2026-06-16 09:27
《自然·医学》杂志15日报道了一种皮质内脑机接口(BCI)突破。该参与者累计使用该系统超过3800小时,共发出183060个句子(近200万词),平均每分钟56词,其中92%的句子被评定为“基本正确”或更佳。
2026-06-16 09:26
未来产业是科技创新和产业创新深度融合的产物,是技术突破催生的全新赛道,对于发展新质生产力具有先导性、引领性作用。未来产业的根基在于创新,没有源头创新,就没有未来产业的萌芽;没有持续创新,就没有未来产业的壮大。统筹科技自立自强与全球创新合作是夯实未来产业发展根基的关键。
2026-06-16 09:25
随着高密度发射成为常态,力箭一号火箭控制系统逐步实现软、硬件产品全链路自主可控。“目前,箭上配套设备缩减50%,地面设备削减80%,火箭电测周期由原来的1个月压缩到1周以内。
2026-06-16 09:23
作者:尚俊杰、王淑文(分别系北京大学教育学院副院长兼学习科学实验室执行主任、中国高等教育学会学习科学研究分会常务副理事长兼秘书长;将学习科学的研究成果深度融入AI教育系统的设计、开发与应用全过程,是提升教育质量、避免技术滥用的关键。
2026-06-16 09:22
数据显示,今年4月,中国汽车出口继续保持快速增长,同比增长超过70%,其中,新能源汽车表现最为亮眼,当月出口43万辆,环比增长16%,同比增长约110%。在海外社交媒体上爆火的“中国汽车”标签,以一种独特的方式为中国的全球气候治理贡献写下新注脚。
2026-06-16 09:17
随着人工智能技术的不断突破和应用场景的加速拓展,AI相关领域人才需求攀升将成为未来较长一段时间内劳动力需求的重要趋势特征。企业作为劳动力市场的需求主体,也应主动应对AI技术变革,推动内部数字化转型,提升生产效率。
2026-06-15 09:17
智能经济带来的技术提升,不是对传统产业的简单替代,而是通过“人工智能+”行动实现全方位赋能。面对全球人工智能治理规则正在形成的窗口期,我国既要在技术上对标一流,更应在治理上贡献智慧,助力全球AI治理变革。
2026-06-15 09:16
过了芒种,在河南省获嘉县照镜镇樊庄村,村民宋其文家里的麦田已开镰,但他不慌不忙,心里稳得很。宋其文感受到的智慧灌溉来源于水肥一体机搭载的作物高效用水智能决策系统,在那里,天空地数据持续搜集,不断优化生成实时灌溉决策方案。
2026-06-15 09:16
在率先落地的机器人、数字人营业性演出场景中,符合条件的经营主体可将机器人、数字人作为演职人员纳入管理范畴。”  北京经开区有关负责人表示,下一步将持续优化试点流程、稳步扩大试点范围,做到放而不乱、管而有序、服务到位,全力扶持新业态、培育新主体、壮大新产业。
2026-06-15 09:15
加载更多