科技日报记者 宋迎迎 通讯员 乔政文
“成了！”当点开邮件看到《自然》杂志编辑部发来研究成果“正式发表”的通知，青岛科技大学高分子科学与工程学院教授刘凯长舒一口气，指尖在键盘上悬停良久。
这一幕发生在不久前。今年34岁的刘凯，经过3年集中攻关，开发出首个N型热电弹性体，让橡胶从工业密封件、轮胎等传统材料“配角”，一跃成为可以为可穿戴电子设备、智能软体机器人供能的“关键角色”，为百年橡胶工业史竖起了一块“会发电”的里程碑。
决心跨越百年科学天堑
“这篇论文的撰写用了3年，背后更有着近10年的蓄力。”提及刚刚发表的这篇论文，刘凯感慨道。
2011年，刘凯考入青岛科技大学，4年的本科学习让他对高分子材料与工程橡胶方向产生了浓厚兴趣，并留校继续读研。
在华静教授的指导下，刘凯开始接触橡胶功能化改性。从弹性体分子结构调控到功能添加剂筛选，再到性能评价体系的构建，他不断探索着橡胶材料的性能边界。孜孜不断的研究，让刘凯摸清了橡胶分子链的“脾气”。
2018年，刘凯进入中国科学院化学研究所攻读博士学位，致力于通过弹性体与光电材料的协同设计，突破传统刚性器件的局限。为复现可拉伸晶体管技术，他度过了365个“16小时工作日”，最终摸清了柔性电子的“命门”。凭借这种坚持与毅力，刘凯在攻读博士学位期间作为第一作者发表SCI文章15篇，为他后续相关研究工作的开展奠定了坚实基础。
在高端弹性体材料领域，曾有一道横亘在研究者眼前百年的科学天堑——弹性体无法同时实现高拉伸回弹与热电性能。
2022年，刘凯与博士后合作导师雷霆教授交谈时，雷霆感叹，“当前的柔性电子器件缺少能拉伸的与之配套的电源”。瞬间，“为柔性电子器件加上能拉伸的电源”这个想法，如电光石火般击中了刘凯——本硕阶段的橡胶研究与博士阶段的半导体研究经验，突然有了交汇点。
一直以来，刘凯坚持“认知就是用来被打破的”这一科研信条。正是这种信条，让刘凯立志在新材料领域首创热电弹性体，目的是补足国内在高端弹性体材料领域的技术短板。
反复配比让“鱼与熊掌兼得”
热电弹性体，简单来说是一种兼具弹性、伸展性和热电转换能力的创新材料。“传统橡胶如同一根普通橡皮筋，能拉弹，却守着‘绝缘体’的本分；聚合物半导体有发电潜力，却脆得像玻璃。”刘凯介绍，“我们要做的，就是在传统橡胶上编织会导电的‘智能丝线’，使其拉得越长，电通路越坚韧。”
“编织”工作听上去简单，做起来却绝非易事。
基于自身在不同领域的研究经验，刘凯在实验中发现，弹性体的拉伸回弹性与其热电性能并非绝对互斥。使二者共存的关键，在于构建“体相纳米相分离共混形貌”和“拉伸—回弹交联网络”。这可以使材料在拉伸形变后仍能维持有效的电荷传输路径。
发现这一点后，刘凯反复将弹性体、共轭聚合物与掺杂剂按不同的比例进行混合，反复开展实验测量材料拉伸后的热电性能。“一开始的实验并不顺利，实验结果最令人泄气时，材料拉伸到原有长度的20%，其热电性能就会断崖式下跌。”回忆起那段潜心攻关的日子，刘凯说，他每天测试几十种混合比例，经常工作到天亮。
功夫不负有心人，在无数个不眠之夜后，他终于迎来了重大突破——在热电聚合物加入弹性体后，“高电导—低热导”这一本征矛盾被打破，材料的电导率得以提高，热导率得以降低，热电性能得到明显增强。同时，当样品被拉伸至原始长度的150%时，他们所制备的热电弹性体的热电功率因子非但未下降，反而显著提升。
在雷霆的建议下，更惊人的突破接踵而至。当刘凯在实验材料中加入少量交联剂后，材料像被施加了“魔法”：其极限拉伸率冲破800%，是传统橡胶的4倍以上，且在150%应变下回弹率高达90%。
“我们的研究直接解决了柔性电子器件中材料因拉伸导致性能衰减的核心痛点，让‘鱼与熊掌可以兼得’。”刘凯解释说。
未来重在适配实际需求
在青岛科技大学高分子科学与工程学院的走廊里，一块块展板讲述着橡胶技术发展史。从天然橡胶的发现到合成橡胶的诞生，再到如今的热电弹性体，百年光阴在橡胶材料的发展中流淌。
“过去对橡胶进行的研究，大多聚焦其作为工业材料在轮胎、密封件及其他产品中的应用。现在，我们要让它走进可穿戴电子设备、废热回收、柔性机器人等新兴领域，变身‘高端功能化智能材料’。”刘凯告诉记者，热电弹性体凭借出色的柔软性与拉伸性能，能够紧密贴合人体皮肤，有效收集热能，同时降低接触电阻对热电转化效率的影响。此外，其无需复杂互连结构的特性，使得它与皮肤表面能够直接适配，成为柔性电子器件的理想能源采集方案。
如今，刘凯继续进行橡胶与光电、热电等新兴技术的交叉融合研究。在他看来，这些研究最大的挑战，并非突破单一技术难点，而是如何在动态调整中保持研究方向的聚焦。
“比如，从弹性体功能化到可拉伸电子器件研发，再到热电弹性体的跨领域延伸，从材料基础创新到功能器件开发，再到能源集成应用，相关领域研究的每一次深化与延伸都需要平衡创新与延续之间的关联。”刘凯告诉记者。
研究成果登上《自然》，对于刘凯来说不是终点，而是新的起点。在他实验室悬挂的研究计划表上，“电子皮肤”的多功能集成、产业化中试线建设已排上日程。
“目前业界开发的热电弹性体，大多功能较为单一。但在实际应用中，我们需要材料同时具备多维度的性能。”刘凯介绍，如何通过分子设计或结构调控实现“功能耦合”，针对光电皮肤、热电皮肤、生物传感器等具体场景，使弹性体的功能化改性进一步适配实际需求，是团队下一步的研究方向。
“或许用不了多久，智能手表真能和充电线说再见。”刘凯介绍，未来，粘贴在手臂上的薄膜或许可以将人体代谢热转化为电能，为心率监测器续航；工厂管道外的柔性贴片能让废热流回电网；更前沿的“电子皮肤”既能回收深海探测器的摩擦热，又能为航天服供电。
说话间，他拿起一块能发电的“智能橡皮筋”。拉伸时，它温顺如绸；回弹时，它蓄力如弓。刘凯笑着说：“科研就像橡胶，既要守得住韧性，又要敢于拉伸边界。”
一路走来，在刘凯的学术地图上，每一步都显露出橡胶般的韧性、延展性，在他的研究规划里，未来的橡胶正不断摆脱自身局限，奔向更辽阔的世界。
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