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3月6日，《科學》發表的一項由中國科研團隊完成的關于柔性熱電材料最新研究，有望讓這個看起來有點“科幻”的場景加速走進現實。
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性能紀錄。
IHP-TEP結構的設計思想與表征結果。研究團隊供圖
熱電材料是一種能夠在熱能和電能之間實現轉換的材料。當材料兩端存在溫差時，熱能可直接轉化為電能，這被稱為“塞貝克效應”；反之，當電流通過材料時，一端吸熱變冷、另一端放熱變熱，從而實現制冷或加熱，這則是“帕爾貼效應”。
憑借這兩種神奇效應，熱電材料既能發電又能制冷，整個過程無需燃料、無噪音、無污染，是新型綠色能源技術的典型代表，也是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。
科研人員表示，理想的柔性熱電材料需要同時滿足兩種看似矛盾的特性：既要具備類似晶體的高電導率，以保證電荷高效輸運；又要擁有類似玻璃的低熱導率，以抑制熱量傳導。科學界稱之為“聲子玻璃-電子晶體”模型，成為熱電材料研究的關鍵科學目標。
為克服這一難題，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，建立了“無序孔增強聲子散射”與“限域增強有序組裝”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有序組裝，顯著提升電荷輸運性能。
科研人員形象地介紹，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。
熱電優值是衡量熱電材料能量轉換效率的核心指標。實驗數據表明，在343K時，該材料熱電優值最高達到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。
該研究為柔性熱電材料領域提供了新的發展路徑。科研人員期待，未來，隨著相關技術的持續發展，我們身邊的每一件“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。
相關論文信息：www.doi.org/10.1126/science.adx9237