智能手表靠體溫供電、衣服變成隨身電源,這些曾經只存在于科幻電影中的場景,正加速照進現實,這真的是顛覆性技術。
3月6日,國際頂級學術期刊《科學》在線發表了一項來自中國的重大突破——中國科學院化學研究所朱道本院士、狄重安研究員團隊成功研制出一種“千瘡百孔”的新型柔性熱電薄膜,這種材料的核心性能指標熱電優值(zT值)在約70攝氏度(343開爾文)下達到1.64,刷新了柔性熱電材料同溫區性能的世界紀錄。
這一研發成果標志著我國科學家攻克了該領域長期存在的關鍵難題,為未來可穿戴設備自供電、貼片式固態制冷等顛覆性技術提供了堅實的材料支撐。
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01、熱電材料
熱電材料被譽為“能量魔術師”,這種魔力源于塞貝克效應和帕爾貼效應2種基本物理效應。
①當材料兩端存在溫差時,熱能可直接轉化為電能,稱之為塞貝克效應;
②反之,通電后材料一端發熱、一端制冷,稱之為帕爾貼效應。
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整個過程無需燃料、沒有噪音與污染,是典型的綠色能源技術。這種特性使得高性能熱電材料在回收工業廢熱、實現電子設備固態制冷,尤其是為物聯網傳感器、可穿戴設備提供自持續能源方面,具有無可估量的應用前景。
然而,理想熱電材料需同時滿足“聲子玻璃-電子晶體”的苛刻要求,即對熱傳導,材料需像玻璃一樣結構無序以阻隔聲子(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,遠遜于性能可達1.0-1.4的柔性無機材料,成為其走向實用化的核心瓶頸。
此次,中國研究團隊創新性地提出了“無序中創造有序”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”,構建出一種內部布滿尺寸、形狀各異無序孔洞的特殊結構。
這些孔洞如同“崇山峻嶺”,能有效散射聲子、抑制熱傳導,使材料熱導率降低72%;
同時,納米級的孔隙產生的“限域效應”,又像模具般迫使導電聚合物分子高度有序排列,形成電荷傳輸的“高速公路”,將載流子遷移率最高提升52%。
這種“多孔無序-狹道有序”的協同設計,成功實現了電-熱輸運的解耦與協同提升。
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03、刷新世界紀錄
這項突破的深遠意義,不僅在于性能指標的歷史性跨越——使聚合物熱電材料zT值首次突破1.5并超越同溫區柔性無機材料,更在于其通往實用化的關鍵優勢。
這種材料制備工藝與噴涂技術高度兼容,可像“噴油漆”一樣實現大面積、一次成型加工,大幅降低了制備難度與成本。
研究團隊指出,人體與環境之間僅存在5℃到10℃的微小溫差,就足以讓這種薄膜產生可觀的電能。
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圖片源自網絡
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電站或者貼身空調。
比如,我們佩戴的智能手表或健康監測貼片,可以依靠體溫持續供電,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,就能像空調一樣實現精準制冷;
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,為海量的物聯網傳感器提供持續、綠色的電能。
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