随着智能手表、健康监测贴片等可穿戴设备的普及，频繁充电成为这些电子设备的共同痛点。若能利用体温和各种环境温差发电，有望实现电子设备“永不断电”。
北京时间3月6日，中国科学院化学研究所朱道本院士/狄重安研究员团队联合国内合作者在国际学术期刊《科学》上发表研究成果，他们研制出一种具有不规则多级孔结构的塑料热电薄膜，其核心性能指标热电优值达到1.64，创造了柔性热电材料的同温区性能纪录，为可穿戴发电设备、贴附式制冷器件、物联网传感器等未来技术提供了关键材料支撑。
【热电材料的研究困境】
热电材料堪称“能量魔术师”，能够实现热能和电能之间的转换。全球每年有超过60%的能源以废热形式散失，有效回收利用将带来巨大节能减排潜力。柔性热电材料兼具柔韧性和可弯折性，可以贴附在人体、衣物等曲面，悄无声息地将周围的“废热”转化为电能。理想的柔性热电材料需同时具备高电导率和低热导率，是热电材料研究的关键科学目标。
长期以来，聚合物热电材料面临性能瓶颈，核心指标热电优值长期落后。理想的热电材料应该像“电子高速公路”一样让电流畅通无阻，同时又像“保温杯”一样阻止热量流动。目前，国际报道的高性能柔性无机热电材料的热电优值可以达到1.0-1.4，而聚合物材料通常徘徊在0.5以下。2024年，朱道本院士/狄重安研究员团队将聚合物热电材料的热电优值提升到1.28，但仍低于柔性无机材料，成为制约其走向实用化的关键瓶颈。
【像喷漆一样简单】
研究团队创新性提出“无序-有序”协同调控理念。简单来说，就是在材料中构建一种特殊的“多孔无序-狭道有序”双重结构：整体上看，材料像海绵一样布满了从5.9纳米到1.8微米的孔洞，大小不同、形状各异、分布无序；而纳米级的孔隙则像“模具”，帮助聚合物分子排列整齐、高度有序。这就像在崎岖山岭间修建高速公路，无序孔洞迫使热量不断“翻山越岭”，寸步难行；有序分子通道则保障了电子的“高速通行”。
研究团队采用“聚合物相分离”方法制造上述结构，就像油和水混合后会自然分离一样。值得注意的是，相分离过程中聚合物被“挤压”在狭小空间里，这反而促进了分子的有序排列，就像人群在狭窄通道中会自然排成整齐队列。由此，孔洞的无序和分子的有序就同时实现了。此前团队制备的高性能柔性热电材料需要重复100次才能制成，而通过这项技术兼容喷涂工艺——就像喷漆一样简单，一次成型。
研究团队制备的不规则多级孔热电塑料薄膜取得了一系列性能突破：热导率大幅降低72%，载流子迁移率最高提升52%，热电优值最高达到1.64，创造了同类材料性能的世界纪录。
【有望像印刷报纸般低成本制造】
这项技术最直接的应用就是可穿戴电子设备的自供电。人体与环境之间通常存在5-10的温差，足以让热电塑料薄膜产生可观的电能。更令人兴奋的是，该材料与喷涂工艺相兼容，未来有望像印刷报纸一样大面积、低成本制造。
想象一下，未来的衣服面料中就能织入这种材料，穿在身上就是一个移动电源。物联网时代，数以亿计的传感器需要部署在各种环境中，更换电池将是巨大挑战，而热电材料提供了一种潜在的解决方案。无论是建筑外墙还是野外环境，只要有温差存在，就能为传感器提供源源不断的电能。而有机材料的柔性特点，使其可以贴附在各种曲面，大大拓展了应用场景。
长期以来，人们认为在弱相互作用主导的有机材料中，很难实现电-热输运的协同调控，而这项研究突破了这一限制，推动聚合物热电材料跨入了可实用化的门槛。
