我國科學家研制出一種不規則多級孔結構的新型熱電聚合物薄膜（IHP-TEP）。來源：中國科學院化學研究所

人民網北京3月6日電 （記者趙竹青）智能手表、健康監測貼片……未來，這些可穿戴設備或許再也不用為頻繁充電煩惱。北京時間3月6日，中國科學院化學研究所朱道本院士/狄重安研究員團隊聯合國內合作者在國際學術期刊《Science》上發表有機熱電材料最新研究成果。該團隊提出“無序中創造有序”新策略，研制出一種不規則多級孔結構的新型熱電聚合物薄膜（IHP-TEP），其核心性能指標熱電優值（zT值）在343K溫度下達到1.64，創造了柔性熱電材料的同溫區世界紀錄。

隨著智能手表、健康監測貼片等可穿戴設備的普及，頻繁充電成為這些電子設備的共同痛點。若能利用體溫和各種環境溫差發電，有望實現電子設備“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、固態制冷等領域具有廣闊應用前景，尤其適用於可穿戴設備、物聯網傳感器等新型電子產品的自供電需求，更一直被科學界認為是國際上的重大科學難題和顛覆性研究方向之一。

有機熱電材料兼具本征柔性與可溶液加工特性，可貼附於不同曲面，將人體熱能或環境的“廢熱”持續轉化為電能。與傳統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勢。但是，長期以來，聚合物熱電材料的性能始終落后於無機材料。目前，柔性無機材料的zT值可以達到1.0-1.4，而有機熱電材料的zT值大多低於0.5。2024年，該團隊將聚合物熱電材料的zT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在於各性能參數相互耦合與制約，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。

朱道本院士/狄重安研究員等研究團隊研制的這種具有不規則多級孔結構的熱電聚合物薄膜（IHP-TEP），建立了“無序孔增強聲子散射”與“限域增強有序分子組裝”的協同調控新機制。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高度有序排列，顯著提升電荷輸運性能。形象地說，這一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，成功實現了電-熱輸運的解耦和協同調控。

研究團隊採用“聚合物相分離”方法構建該結構：將PDPPSe-12（聚合物半導體）和PS（聚苯乙烯，常見塑料）溶液均勻混合，溶劑揮發過程中，兩者會發生相分離。通過精確控制共混比例等參數，可調控孔的大小、數量和分布。IHP-TEP結構可協同調控聲子-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以提升52%。在343K時zT值最高達到1.64，超越了柔性無機熱電材料的同溫區性能。此外，該結構與噴涂技術相兼容，在大面積柔性發電方面具有重要應用潛力。

該研究打破了聚合物熱電材料電荷輸運與聲子散射難以協同優化的傳統局限，為柔性熱電材料領域提供了新的發展路徑。未來，隨著相關技術的持續發展，我們身邊的“塑料”制品，都有可能成為微型發電站和貼身空調，讓廢棄熱量成為寶貴資源，使綠色能源無處不在，觸手可及。