随着便携式电子设备变得越来越流行，对“始终开启和始终关闭”电源连续运行的需求不断增加。中国科学家近日提出“从无序中创造秩序”的新策略，开发出一种具有不规则分级孔结构的新型热电聚合物薄膜（IHP-TEP）。这种柔性热电材料有望实现“永久关闭”电子设备的愿望。其核心热电品质因数在70摄氏度左右达到1.64，创下了相同温度范围内柔性热电材料性能的世界纪录。在这项研究中，我们开发了一种具有不规则分级孔结构的新型热电聚合物（IHP-TEP）薄膜。照片显示了结构的设计理念和表征结果。中国科学院化学研究所供图。这一重大发展突破高性能高分子热电材料由中国科学院化学研究所朱道本院士和狄崇安研究员团队及其合作者完成。相关成果于北京时间3月6日凌晨发表在国际学术期刊《科学》网络版上。国际关键科学问题和颠覆性技术随着智能手表、健康追踪贴片等可穿戴电子设备的普及，频繁充电已成为这些设备的通病。如果能够利用体热或各种环境下的温差来发电，电子设备有望“永久不需用电”运行。热电材料是实现这一目标的关键材料。可以实现热能直接转化为电能。当两端有温差时材料的热能直接转化为电能。这就是“塞贝克效应”。相反，当电流通过材料时，材料的一端被加热，另一端被冷却。这就是“珀耳帖效应”。高性能热电材料在余热回收、固态冷却等领域有着广泛的应用。它们特别适合新型电子产品的自供电需求，例如可穿戴设备和物联网传感器。它们也被科学界认为是世界上最大的科学问题和颠覆性技术之一。有机热电材料具有固有的灵活性和溶液加工性，可以应用于各种曲面，以减少来自人体和环境的热量。 “废热”可以源源不断地转化为电能。与传统无机热电材料相比，聚合物ric材料具有重量轻、柔韧性好、能够大面积打印等重要优点。然而，高分子热电材料的性能长期落后于无机材料。目前，柔性无机材料的热电品质因数可以达到1.0～1.4，而有机热电材料的热电品质因数大多小于0.5。尽管中科院化学研究所团队在2024年将高分子热电材料的热电品质因数提升至1.28，但与高性能柔性无机材料相比仍存在差距，且复杂的制备工艺限制了其实际应用。提高聚合物热电性能的主要挑战是每个性能参数都是相互关联且有限的，因此很难独立调节。理想的热电材料遵循“声子为了进行热传递，材料必须具有无序的“玻璃”状结构，使得声子难以前进。为了传递电荷，材料必须具有像“晶体”一样有序堆叠的分子，使电荷能够畅通无阻地流动。这种“电和热传输的协同控制”是极其困难的。这已经成为限制聚合物热电性能提升的长期瓶颈。未来，绿色能源将成为聚合物材料热电性能的长期瓶颈。此次，研究团队开发了一种具有不规则分级孔结构的热电聚合物膜，建立了“孔增强无序声子散射”和“限域增强有序分子组装”的新型协同控制机制，这种结构在有效增强多声子散射的同时，显着抑制了纳米孔的限域效应。注意到聚合物分子的有序排列，大大提高了电荷传输性能。从视觉上看，这种结构就像在陡峭的山区修建一条道路。有序的分子通道确保电荷的“快速通过”，而无序的孔则允许热量穿过山脉和山脊。双方各司其职，互不干扰，成功实现了电、热输送分离、联动。我会的。研究小组表示，他们使用“聚合物相分离”方法来构建该结构。换句话说，半导体聚合物PDPPSe-12和聚苯乙烯（常见塑料）的溶液均匀混合，两者在溶剂蒸发过程中发生相分离。通过精确控制混合比等参数，可以控制孔隙的尺寸、数量和分布。新型热电高分子薄膜结构独特可有效控制声子边界散射、声子-声子相互作用和尺寸效应，将热导率降低 72%。同时，间隙限制效应改善了分子的有序组装，将载流子迁移率提高了高达 52%。在70摄氏度左右的温度下热电品质因数达到1.64，超过了柔性无机热电材料的等温性能。此外，该结构兼容喷雾技术，在大面积灵活发电方面具有巨大的应用潜力。这项最新工作打破了聚合物热电材料中电荷输运和声子色散难以联合优化的传统限制，为柔性热电材料领域提供了新的发展途径。未来，随着相关技术的不断发展，我们身边的“塑料”制品或许会成为微型发电厂、个人空调，将废热转化为宝贵的资源，使绿色能源无处不在且价格实惠。 （中国新闻网）