智能手表靠体温供电、衣服变成随身电源,这些曾经只存在于科幻电影中的场景,正加速照进现实,这真的是颠覆性技术。
3月6日,国际顶级学术期刊《科学》在线发表了一项来自中国的重大突破——中国科学院化学研究所朱道本院士、狄重安研究员团队成功研制出一种“千疮百孔”的新型柔性热电薄膜,这种材料的核心性能指标热电优值(zT值)在约70摄氏度(343开尔文)下达到1.64,刷新了柔性热电材料同温区性能的世界纪录。
这一研发成果标志着我国科学家攻克了该领域长期存在的关键难题,为未来可穿戴设备自供电、贴片式固态制冷等颠覆性技术提供了坚实的材料支撑。
01、热电材料
热电材料被誉为“能量魔术师”,这种魔力源于塞贝克效应和帕尔贴效应2种基本物理效应。
①当材料两端存在温差时,热能可直接转化为电能,称之为塞贝克效应;
②反之,通电后材料一端发热、一端制冷,称之为帕尔贴效应。
整个过程无需燃料、没有噪音与污染,是典型的绿色能源技术。这种特性使得高性能热电材料在回收工业废热、实现电子设备固态制冷,尤其是为物联网传感器、可穿戴设备提供自持续能源方面,具有无可估量的应用前景。
然而,理想热电材料需同时满足“声子玻璃-电子晶体”的苛刻要求,即对热传导,材料需像玻璃一样结构无序以阻隔声子(热振动的量子);对电荷传输,则需像晶体一样分子排列高度有序以保证电子畅通。这对传统聚合物材料而言,如同要求“一扇门既隔音又透气”,是难以兼顾的矛盾。
02、攻克难题
长期以来,聚合物热电材料的zT值大多低于0.5,远逊于性能可达1.0-1.4的柔性无机材料,成为其走向实用化的核心瓶颈。
此次,中国研究团队创新性地提出了“无序中创造有序”的新策略。他们通过“聚合物相分离”方法,将两种塑料混合后令其自然“分家”,构建出一种内部布满尺寸、形状各异无序孔洞的特殊结构。
这些孔洞如同“崇山峻岭”,能有效散射声子、抑制热传导,使材料热导率降低72%;
同时,纳米级的孔隙产生的“限域效应”,又像模具般迫使导电聚合物分子高度有序排列,形成电荷传输的“高速公路”,将载流子迁移率最高提升52%。
这种“多孔无序-狭道有序”的协同设计,成功实现了电-热输运的解耦与协同提升。
03、刷新世界纪录
这项突破的深远意义,不仅在于性能指标的历史性跨越——使聚合物热电材料zT值首次突破1.5并超越同温区柔性无机材料,更在于其通往实用化的关键优势。
这种材料制备工艺与喷涂技术高度兼容,可像“喷油漆”一样实现大面积、一次成型加工,大幅降低了制备难度与成本。
研究团队指出,人体与环境之间仅存在5℃到10℃的微小温差,就足以让这种薄膜产生可观的电能。
基于这种材料的突破,我们身边普通的“塑料”制品有望变身为微型发电站或者贴身空调。
比如,我们佩戴的智能手表或健康监测贴片,可以依靠体温持续供电,摆脱频繁充电的困扰;
或者,在炎炎夏日,一片轻薄如纸的柔性贴片贴在皮肤上,就能像空调一样实现精准制冷;
如果把这种材料织入衣服里面,就成了随身的“移动电源”,或贴附于各种曲面,为海量的物联网传感器提供持续、绿色的电能。

