重大突破！中國科學(xué)家攻克材料領(lǐng)域關(guān)鍵難題，衣服將變成移動電源

智能手表靠體溫供電、衣服變成隨身電源，這些曾經(jīng)只存在于科幻電影中的場景，正加速照進(jìn)現(xiàn)實(shí)，這真的是顛覆性技術(shù)。

3月6日，國際頂級學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》在線發(fā)表了一項(xiàng)來自中國的重大突破——中國科學(xué)院化學(xué)研究所朱道本院士、狄重安研究員團(tuán)隊(duì)成功研制出一種“千瘡百孔”的新型柔性熱電薄膜，這種材料的核心性能指標(biāo)熱電優(yōu)值（zT值）在約70攝氏度（343開爾文）下達(dá)到1.64，刷新了柔性熱電材料同溫區(qū)性能的世界紀(jì)錄。

這一研發(fā)成果標(biāo)志著我國科學(xué)家攻克了該領(lǐng)域長期存在的關(guān)鍵難題，為未來可穿戴設(shè)備自供電、貼片式固態(tài)制冷等顛覆性技術(shù)提供了堅(jiān)實(shí)的材料支撐。

01、熱電材料

熱電材料被譽(yù)為“能量魔術(shù)師”，這種魔力源于塞貝克效應(yīng)和帕爾貼效應(yīng)2種基本物理效應(yīng)。

①當(dāng)材料兩端存在溫差時(shí)，熱能可直接轉(zhuǎn)化為電能，稱之為塞貝克效應(yīng)；

②反之，通電后材料一端發(fā)熱、一端制冷，稱之為帕爾貼效應(yīng)。

整個(gè)過程無需燃料、沒有噪音與污染，是典型的綠色能源技術(shù)。這種特性使得高性能熱電材料在回收工業(yè)廢熱、實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備固態(tài)制冷，尤其是為物聯(lián)網(wǎng)傳感器、可穿戴設(shè)備提供自持續(xù)能源方面，具有無可估量的應(yīng)用前景。

然而，理想熱電材料需同時(shí)滿足“聲子玻璃-電子晶體”的苛刻要求，即對熱傳導(dǎo)，材料需像玻璃一樣結(jié)構(gòu)無序以阻隔聲子（熱振動的量子）；對電荷傳輸，則需像晶體一樣分子排列高度有序以保證電子暢通。這對傳統(tǒng)聚合物材料而言，如同要求“一扇門既隔音又透氣”，是難以兼顧的矛盾。

02、攻克難題

長期以來，聚合物熱電材料的zT值大多低于0.5，遠(yuǎn)遜于性能可達(dá)1.0-1.4的柔性無機(jī)材料，成為其走向?qū)嵱没暮诵钠款i。

此次，中國研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了“無序中創(chuàng)造有序”的新策略。他們通過“聚合物相分離”方法，將兩種塑料混合后令其自然“分家”，構(gòu)建出一種內(nèi)部布滿尺寸、形狀各異無序孔洞的特殊結(jié)構(gòu)。

這些孔洞如同“崇山峻嶺”，能有效散射聲子、抑制熱傳導(dǎo)，使材料熱導(dǎo)率降低72%；

同時(shí)，納米級的孔隙產(chǎn)生的“限域效應(yīng)”，又像模具般迫使導(dǎo)電聚合物分子高度有序排列，形成電荷傳輸?shù)摹案咚俟贰?，將載流子遷移率最高提升52%。

這種“多孔無序-狹道有序”的協(xié)同設(shè)計(jì)，成功實(shí)現(xiàn)了電-熱輸運(yùn)的解耦與協(xié)同提升。

03、刷新世界紀(jì)錄

這項(xiàng)突破的深遠(yuǎn)意義，不僅在于性能指標(biāo)的歷史性跨越——使聚合物熱電材料zT值首次突破1.5并超越同溫區(qū)柔性無機(jī)材料，更在于其通往實(shí)用化的關(guān)鍵優(yōu)勢。

這種材料制備工藝與噴涂技術(shù)高度兼容，可像“噴油漆”一樣實(shí)現(xiàn)大面積、一次成型加工，大幅降低了制備難度與成本。

研究團(tuán)隊(duì)指出，人體與環(huán)境之間僅存在5℃到10℃的微小溫差，就足以讓這種薄膜產(chǎn)生可觀的電能。

圖片源自網(wǎng)絡(luò)

基于這種材料的突破，我們身邊普通的“塑料”制品有望變身為微型發(fā)電站或者貼身空調(diào)。

比如，我們佩戴的智能手表或健康監(jiān)測貼片，可以依靠體溫持續(xù)供電，擺脫頻繁充電的困擾；

或者，在炎炎夏日，一片輕薄如紙的柔性貼片貼在皮膚上，就能像空調(diào)一樣實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)制冷；

如果把這種材料織入衣服里面，就成了隨身的“移動電源”，或貼附于各種曲面，為海量的物聯(lián)網(wǎng)傳感器提供持續(xù)、綠色的電能。