遥想“塑料”和“温差”的邂逅（科技大观）

本文转自：人民日报

狄重安

《 人民日报 》（ 2024年08月23日 第 16 版）

近日，由中国科学院化学研究所团队、北京航空航天大学团队与合作者研制出的一种高性能塑料基热电材料，不仅质地轻软，还能利用温差发电。该材料在可穿戴能源器件等领域具有重要应用前景，相关成果在国际学术期刊《自然》发表。

当前，聚合物热电材料是全球新材料研究的前沿领域。美国国家科学院在其《材料研究前沿：十年调查》报告中，将聚合物热电材料列入2020—2030年材料研究的重要方向之一。通俗地说，热电材料是指能够利用两端温差驱动材料内部的电荷移动、产生电压发电的功能材料；反过来，如果给热电材料通电，电荷移动会吸收或释放热量，它又能实现一端变冷而另一端变热，从而进行加热和制冷。

热电材料的这两种“本领”都具有广阔的应用前景。利用环境热发电可以孕育新形态的能量供给链条，为物联网和健康监测等领域的贴附式能源器件提供持续电力。例如，人们可以将热电材料制作成精美的腕带和色彩斑斓的热电涂料，利用体温或汽车内外的温差为手机、智能手表和可穿戴传感器等电子设备充电，让电力的供给无处不在。此外，利用热电材料制冷的技术正朝着便携式控温的方向发展。或许在若干年后，人们可以身穿温度可调的服装，在炎炎夏日沉浸式享受“贴身降温”的快乐。

从上世纪开始，科学家就开始尝试利用人工合成的聚合物（俗称塑料）来发展热电材料。塑料质地柔软轻巧，是可穿戴热电材料的理想选择之一，但需要解决不少难题。比如，普通的塑料在传统意义上属于绝缘体，无法导电，更无法实现热电转换。不过，科学家发现，经过化学掺杂的聚合物能够具备优异的导电能力，颠覆了“塑料不能导电”的认知，为塑料基热电材料的发展提供了理论支撑。

尽管在原理上可行，高性能聚合物热电材料发展仍充满挑战。这主要是由于高性能聚合物热电材料需要同时具备三个特性：高热电转化能力、高电导率和低热导率。具体来说，理想的热电材料既要像玻璃一样阻挡热量的传导，又要像晶体一样允许电荷自由移动，因此也被称为“声子玻璃—电子晶体”模型。

此次，中国科研团队研制的聚合物多周期异质结（PMHJ）热电材料，就是一种更接近“声子玻璃—电子晶体”模型的热电塑料。这种结构可以形象地理解为由两种口味蛋糕做成的多层夹心蛋糕，其中的夹心是两种蛋糕混合起来的。具体来说，这种材料利用两种不同的聚合物，构建了一个周期有序的纳米结构。按这种结构制备出来的薄膜最高热电优值（热电材料的核心指标）可以达1.28，达到了商品化材料在同温区的热电性能水平。同时，团队利用溶液法技术实现了PMHJ薄膜的大面积制备。

打开一扇大门，最需要的是找到合适的钥匙。PMHJ或许会成为打开高性能塑料基热电材料的那一把钥匙。穿过这扇大门，科学家有望重新认识“塑料类软物质”的新功能特性和规律，拓展人们的认知边界，为相关领域的基础研究提供新的思路。柔性热电材料的应用研究也将更为活跃，最终有望步入实用化时代，让人们早日享受“随身空调”和“贴身电力”带来的福利。我们期待，“塑料”和“温差”的邂逅会使未来社会的“绿色能源”无处不在！

（作者为中国科学院化学研究所研究员）