【科研论文科普解读】

  晨跑时，你的体温就能为智能手表持续供电；炎炎夏日，一片轻薄如纸的贴片贴在皮肤上，就能带来清凉……听起来有点科幻的场景，正随着我国科学家的一项科研突破加速走进现实。

  3月6日，中国科学院化学研究所朱道本院士、狄重安研究员团队联合国内合作者在《科学》发表研究成果，成功研制出具有不规则多级孔结构的塑料热电薄膜，其热电优值（zT值）一举突破1.64，创下柔性热电材料同温区性能新纪录，有望为可穿戴发电设备、贴附式制冷、物联网传感器等未来技术提供关键材料支撑。

  从废热到电能，柔性化成热电材料研发关键

  在“双碳”目标深入推进的背景下，如何高效回收利用废热、开发绿色低碳的能源转换技术，成为全球科研界的重要课题。热电材料，正是这样一种能实现热能与电能双向转换的“能量魔术师”，其背后依托的是塞贝克效应和帕尔贴效应两大物理原理：材料两端存在温差时，热能可直接转化为电能；反之，给材料通电，其一端变热、一端变冷，实现制冷效果。整个转换过程无需燃料、无噪音、无污染，是名副其实的新型绿色能源技术。

  据统计，全球每年有超60%的能源以废热形式散失，若能通过热电材料有效回收，将释放巨大的节能减排潜力。在热电材料的研发中，柔性热电材料因兼具柔韧性、可弯折性，能贴附在人体、衣物、各类曲面之上，成为适配可穿戴设备、物联网等新兴领域的核心选择，也是科研攻关的重点方向。

  理想的热电材料，需要满足一个看似矛盾的“苛刻”要求：既要拥有类似晶体的高电导率，让电荷高效输运，保证导电能力；又要具备类似玻璃的低热导率，抑制热量传导，减少能量损耗。科学界将这一理想状态称为“声子玻璃-电子晶体”模型，这也是热电材料研发的核心科学目标之一。

  在众多材料选择中，聚合物因本身柔软可弯曲、能通过喷涂、印刷等简单方法大面积制备，成为柔性热电材料的优质候选者，却长期受限于性能瓶颈，难以成为真正的“发电高手”。

  早在20世纪70年代，三位科学家发现碘掺杂后的聚乙炔具有金属般的导电行为，打破了“塑料不可导电”的传统认知，也掀起了导电聚合物的研究热潮。但此后数十年，聚合物热电材料的核心指标zT值长期徘徊在0.5以下，2024年朱道本院士、狄重安研究员团队将其提升至1.28，但仍低于先进柔性无机热电材料的水平（1.0-1.4）。电导率与热导率的耦合限制，成为横亘在聚合物热电材料实用化道路上的一道无形天花板。

  无序中造有序，让电子“高速跑”热量“慢步行”

  热电材料的研发，过去一直面临着“鱼与熊掌不可兼得”的困境：分子排列整齐能提高电导率，但会让热导率随之上升；引入无序结构降低热导率，电导率又会显著下降。如何实现电－热输运的解耦，同时拥有电子传输的“高速公路”和热量传导的“迷宫屏障”，成为困扰科研界的难题。

  面对这一挑战，朱道本院士、狄重安研究员团队另辟蹊径，创新性提出“无序－有序”协同调控的新理念，跳出了传统思路中“二选一”的局限，实现了“全都要”的突破。

图：IHP-TEP结构的设计思想与表征结果

  团队在材料中构建出独特的“多孔无序-狭道有序”双重结构：从整体来看，这款塑料热电薄膜像海绵一般，布满了5.9纳米到1.8微米大小不一、形状各异、分布无序的孔洞；而在纳米级孔隙的“约束”下，聚合物分子却排列得整齐有序，形成了高效的电荷传输通道。

  这一巧妙的结构设计，如同在崎岖山岭间修建了高速公路，无序的孔洞让传递热量的声子不断“翻山越岭”，难以顺畅传导，实现了高效隔热；有序的分子通道则让电荷像高铁在笔直轨道上疾驰，保障了电荷的高速通行，两者各司其职、互不干扰，成功破解了电－热输运的耦合限制。

  而这一结构的制备，依托的是简单且高效的“聚合物相分离”方法，就像油和水混合后自然分离的原理，研究人员将聚合物半导体PDPPSe-12与常见塑料聚苯乙烯PS溶解混合，在溶剂挥发过程中，两种聚合物自然“分家”。通过精确控制聚合物配比等条件，就能精准调控孔洞的大小、数量和分布。巧妙的是，相分离过程中，导电聚合物被“挤压”在狭小空间里，这种“限域效应”反而促使分子自然排列整齐，如同人群在狭窄通道中会自觉排成队列。

  这项新技术还兼容喷涂工艺，像喷漆一样一次成型，为后续大面积、低成本制备奠定了基础，让科研成果从实验室走向产业化的路径更加清晰。

  创世界纪录，开启塑料“变能源”的未来图景

  结构的创新设计，带来了性能的跨越式提升。团队研制的不规则多级孔热电塑料薄膜，实现了多项关键性能的突破：高效的声子散射让材料的热导率大幅降低72%；“限域效应”带来的分子有序排列，让载流子迁移率最高提升52%，核心指标zT值突破1.64，实现了聚合物热电材料zT>1.5的历史性跨越，刷新了柔性热电材料的同温区性能纪录。

  这项科研成果的价值，不仅在于创下了一项新纪录，更在于其广阔的应用前景和科学意义。

  从应用层面来看，这项技术最直接的应用就是可穿戴电子设备的自供电。人体与环境之间通常存在5-10 ℃的温差，足以让热电塑料薄膜产生可观的电能。这一材料与喷涂工艺相兼容，可以像印刷报纸一样大面积、低成本制造。想象一下，未来的衣服面料中就能织入这种材料，穿在身上就是一个移动电源！在物联网时代，数以亿计的传感器也能依靠这款材料，利用环境温差实现自供电，破解更换电池的巨大难题。有机材料的柔性特质，更让其能贴附在建筑外墙、野外设备等各种曲面之上，大幅拓展了应用场景。

  从科学研究层面来看，这项研究突破了“弱相互作用主导的有机材料难以实现电－热输运协同调控”的传统认知，推动聚合物热电材料跨入可实用化的门槛。团队建立的系统研究方案，也为软物质材料热电转换的后续研究提供了清晰的路线图，为新材料研发提供了新的思路和方法。（光明网记者宋雅娟）