科技日报记者 陆成宽
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。中国科学院化学研究所朱道本院士、狄重安研究员团队研制出一种“千疮百孔”的新型柔性热电薄膜，热电性能刷新同类材料的世界纪录，为可穿戴设备自供电、贴片式制冷等未来技术提供了关键材料支撑。相关研究成果3月6日在线发表于《科学》。
热电材料就像一位“能量魔术师”，能在热能和电能之间自由转换。它的魔法基于两种基本现象：当材料两端有温差时，它会直接发电，这叫“塞贝克效应”；反过来，给它通上电，材料就会一头热、一头冷，这叫“帕尔贴效应”。简单来说，它既能用温差发电，也能用电来制冷。整个过程不需要燃料，没有噪音，也没有污染，是典型的绿色能源技术。
与传统无机热电材料相比，聚合物材料具有质轻、柔性好、可溶液加工、适合大面积印刷等优势，是实现可穿戴设备自供电的理想选择之一。然而，长期以来，聚合物热电材料的性能提升却面临瓶颈。这里有个“鱼和熊掌不可兼得”的难题：要让电流跑得快，聚合物就得像晶体一样，内部分子排列整齐；要让热量传得慢，材料又得像玻璃一样，内部结构杂乱。这就像要求一扇门既隔音又透气，传统聚合物材料没法同时满足这两个条件。
在这项研究中，研究团队想出了妙招：在乱糟糟的孔洞之间，给导电分子修“专用车道”。具体来说，他们把两种塑料混合后让它们自然“分家”，杂乱的孔洞负责打乱热量传递路线，狭窄的缝隙强迫导电分子排好队。这就好比在山岭间修高速公路——崇山峻岭拦住热量，平整车道加速电流。
这种结构显著抑制热传导，使热导率降低72%，同时，导电能力却提升了52%，成功实现了电-热输运的解耦和协同提升。更关键的是，它能像喷油漆一样喷涂成型，一次就能搞定。
研究显示，这种不规则多级孔结构的热电聚合物薄膜在343开尔文（约70摄氏度）下的热电优值最高达到1.64，超越了柔性无机热电材料的同温区性能。
这一研究打破了聚合物热电材料电荷输运与声子散射难以协同优化的传统局限，为柔性热电材料领域提供了新的发展路径。未来，随着相关技术的持续发展，利用体温和环境温差发电的柔性电子设备有望加速走进现实生活。
（中国科学院化学研究所供图）
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