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探索宇宙奧秘 · 理性思考
晨跑時,智能手表靠體溫持續供電;酷暑中,輕薄貼片貼膚即制冷。這些科幻場景正加速走進現實。中國科學院化學研究所團隊近日在《科學》雜志發表成果,他們研制出具有不規則多級孔結構的塑料熱電薄膜,讓柔性熱電材料的性能指標首次突破1.5的實用化門檻,創造了同溫區世界紀錄。
全球每年超過60%的能源以廢熱形式散失。熱電材料堪稱"能量魔術師",它能無聲無息地將熱能轉化為電能,無需燃料、無噪音、零排放。柔性熱電材料更兼具柔韌性,可貼附人體或衣物,把體溫和環境廢熱變成可用電力。
理想的熱電材料需要同時扮演兩種矛盾角色。它要具備晶體般的高電導率,讓電荷高速通行;又要擁有玻璃般的低熱導率,讓熱量寸步難行。科學界將這一目標概括為"聲子玻璃—電子晶體"模型。過去,無機材料能達到這種平衡,但脆硬且有毒;有機材料雖柔軟安全,性能卻長期落后。
研究團隊提出"無序—有序"協同調控理念,破解了這一矛盾。他們采用"聚合物相分離"技術,將兩種高分子材料溶解混合。溶劑揮發時,兩種聚合物像油水分離般自然"分家",形成不規則多級孔洞結構。
這些無序孔洞如同崎嶇山嶺,迫使熱量不斷"翻山越嶺",熱導率因此大幅降低72%,僅為0.16W·m?1·K?1。導電聚合物在相分離過程中被"擠壓"進狹小空間,反而促進分子有序排列,形成電子"高速公路"。載流子遷移率最高提升52%,功率因子達到772μW·m?1·K?2。
兩種結構各司其職,互不干擾,成功實現了電—熱輸運的解耦和協同提升。
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"熱電優值"(zT)是衡量熱電材料的核心指標,綜合體現發電能力和隔熱能力。長期以來,聚合物熱電材料的zT值遠低于無機材料,成為實用化的關鍵瓶頸。
此前,中國科學院化學研究所團隊已將聚合物熱電材料的zT值提升到1.28,但仍低于柔性無機材料。此次,新型不規則多級孔熱電塑料薄膜的zT值突破1.64,首次實現聚合物熱電材料zT>1.5的歷史性跨越。
在熱電領域,zT>1.5通常被視為材料實用化的重要門檻。這意味著有機材料終于具備了與無機材料競爭的性能基礎,同時保留了柔性、輕質、低成本的獨特優勢。
此次突破不僅在于性能指標。新技術兼容噴涂和印刷工藝,可像噴漆一樣一次成型,或像印報紙一樣大面積制造。這區別于此前需要重復100次復雜工藝的高性能柔性熱電材料制備方法。
展望未來,這種塑料薄膜可織入衣服面料成為隨身電源,也可制成貼附式制冷貼片替代空調。在物聯網傳感器、可穿戴醫療監測等場景,它將大顯身手。中國科學家建立的系統研究方案,為后續突破提供了清晰路線圖。
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