“塑料”與“溫差”的美麗邂逅

材料科學前沿，一場關于“塑料”與“溫差”之間的美麗邂逅悄然上演。中國科學院化學研究所（以下簡稱化學所）科研人員攜手國內外科研力量，開發了一種稱為“聚合物多周期異質結”（Polymeric Multi-heterojunction，PMHJ）的新材料，能夠在微小的溫差作用下把熱能轉換為電能，推動了聚合物熱電材料的性能躍升。

7月24日，相關成果在《自然》上發表。科研人員期待，也許在不久的將來，“熱電塑料”和“溫差”的邂逅能夠產生各種“觸手可及”的清潔能源。

論文共同第一作者為化學所王東洋博士、丁嘉敏博士和馬英喬博士，通訊作者為化學所研究員狄重安和北京航空航天大學教授趙立東。

塑料也能發電

在人們的印象中，塑料是日常生活中不可或缺的絕緣體。直到20世紀70年代，美國科學家艾倫·黑格、艾倫·馬克迪爾米德和日本科學家白川英樹發現，碘摻雜的聚乙炔具備導電能力，徹底顛覆了“塑料不能導電”的傳統認知。三位科學家也因此獲得2000年諾貝爾化學獎。

這一重要科學發現不但掀起了導電聚合物和其它光電分子材料的研究熱潮，還催生了有機發光二極管（OLED）等電子產業，讓光彩奪目的顯示屏走進了人們的日常生活。

隨著科學研究的深入開展，科學家發現，一些塑料不僅可以導電，它們還具有兩種“超能力”進行熱能和電能的相互轉換。其中，利用溫差發電的“超能力”被稱為“塞貝克效應”，利用導電回路施加電壓產生溫差的“超能力”則被稱為“帕爾貼效應”。

基于這些現象，人們可以利用輕質與柔軟的塑料來實現溫差發電，發展貼附式和可穿戴的綠色能源；也有望將其編織成塑料纖維，變成可以控制溫度的服裝。科研人員表示，這些功能的實現都需要發展高性能的聚合物熱電材料，該領域的研究成為材料科學的前沿和最具挑戰的方向之一。

PMHJ破局

高性能熱電材料需具備高塞貝克系數、高電導率和低熱導率，其理想模型稱為“聲子玻璃-電子晶體”模型。

簡單地說，這種材料要像玻璃一樣阻止熱量傳導，同時又要像晶體一樣允許電荷自由移動，達到讓作為熱量載體的聲子“寸步難行”而讓作為電荷載體的電子“暢通無阻”的效果。

然而，很多高電導聚合物具有局部有序的分子排列，與理想模型存在差距，直接制約了聚合物熱電性能的提高。

過去10多年里，全球科學家采用分子創制、組裝和摻雜等方式，試圖調控聚合物薄膜的塞貝克系數、電導率及其制約關系。但是，用于衡量熱電材料性能的重要參數——熱電優值（ZT）卻一直停留在0.5上下，遠低于商品化無機熱電材料的性能。這一性能困境直接制約了塑料基熱電材料領域的發展。

為了打破這一瓶頸，化學所朱道本/狄重安研究團隊、北京航空航天大學趙立東課題組及國內外其他7個研究團隊，創造性地提出“聚合物多周期異質結（Polymeric Multi-Heterojunction，PMHJ）”的新概念。

科研團隊利用兩種不同的聚合物構建出周期有序的納米結構，每種聚合物厚度不到10納米，且兩者之間具有超薄的混合界面。這一設計既保證了電荷的有效傳輸，又能高效散射聲子和類聲子，使材料的熱電性能顯著提升，更接近理想模型。

PMHJ結構的設計思想及相關實驗結果（科研團隊供圖）

刷新“熱電優值”

PMHJ提出后，科研團隊對其大幅提升材料熱電性能的未來充滿著期待。

在最新發表的論文中，研究團隊利用“PDPPSe-12”和“PBTTT”這兩種聚合物以及交聯劑，結合分子交聯方法，構筑了具有不同結構特征的PMHJ薄膜。

他們發現，當PMHJ薄膜被氯化鐵摻雜后，其在368K下的ZT值達到了1.28。塑料基熱電材料從此步入ZT值超過1.0的時代！

對此，科研團隊認為，這意味著這一材料的性能已與商品化無機熱電材料的室溫區熱電性能相當。

與此同時，PMHJ結構的優異普適性和加工兼容性，使其在柔性供能器件領域展現出應用潛力。

在業內專家看來，這項研究成果打破了以往對聚合物熱電材料性能提升的認知局限，為高性能熱電材料的進一步研發提供了新的途徑。特別是在柔性供能器件的應用上，有望推動可穿戴設備和環境能量收集技術的發展。

多家國內外研究機構參與相關工作，包括化學所、北京航空航天大學、清華大學、中國科學院大學、英國牛津大學、韓國蔚山科學技術院等。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07724-2