记者从中国科学院化学研究所获悉,该研究所朱道本院士、狄重安研究员团队联合国内合作者,成功研制出不规则多级孔结构塑料热电薄膜,其核心性能指标热电优值(zT值)突破1.64,创下柔性热电材料同温区性能世界纪录,为可穿戴设备、贴附式制冷、物联网传感器等技术发展提供关键材料支撑。
热电材料是能实现热能与电能相互转换的“能量魔术师”,基于两种基本物理效应:塞贝克效应和帕尔贴效应,就可以在无燃料、无噪音的情况下完成发电与制冷。因此在节能减排、绿色能源领域具有重要意义。
柔性热电材料兼具柔韧性和可弯折性,可以贴附在人体、衣物或任何曲面,悄无声息地将周围的“废热”转化为电能。其中柔性热电材料能贴合人体、曲面等场景,是回收利用废热的理想选择,但长期以来,聚合物热电材料始终面临“高电导率”与“低热导率”难以兼顾的难题,zT值远低于无机材料,成为实用化的关键瓶颈。
为破解这一“鱼与熊掌不可兼得”的困境,研究团队创新性地构建出独特的“多孔无序-狭道有序”双重结构。该材料整体像海绵般布满大小、形状各异的无序孔洞,纳米级的孔隙却能像模具一样,帮助聚合物分子形成高度有序的排列。这一结构让热量难以传递,电子传输却畅通无阻,成功实现了电-热输运的解耦和协同提升。
研究团队通过“聚合物相分离”方法制备该材料,兼容喷涂工艺可一次成型,相较此前技术大幅降低制备难度。这款新型热电塑料薄膜实现了聚合物热电材料zT值超1.5的历史性跨越,创造了柔性热电材料的世界纪录。
未来,该技术应用前景广阔,人体与环境存在5℃到10℃的温差就能让其产生可观电能,我们有望实现一些未来世界的应用场景,例如:我们戴着智能手表晨跑,仅靠体温就能给手表充电;在炎炎夏日,我们仅需一片轻薄如纸的贴片贴在皮肤上,就能给自己带来清凉;未来还能织入衣物成为“移动电源”。另外,凭借其低成本的制备优势,该技术还能在物联网时代为传感器提供持续电能,柔性特点更可使其贴附在各种曲面,大大拓展了应用场景。
此次突破不仅推动了聚合物热电材料迈入实用化门槛,更深化了我们对软物质材料热电转换规律的认知,为后续研究提供了清晰路线图。未来,普通的塑料有望变身微型发电站,让无处不在的废热成为宝贵能源。