清晨，你戴著智能手表晨跑，汗水滴落，但手表電量滿格——奇怪，昨晚明明忘了充電呀!別慌，不是你穿越到了平行宇宙，而是你的手表“穿”了一件神奇的外衣：它能用你的體溫給自己發(fā)電!

　　夏天太熱?往胳膊上貼一片薄如蟬翼的貼片，瞬間涼感來襲!

　　這些聽起來像科幻片的情節(jié)，正在加速變成現(xiàn)實。近日，中國科學(xué)院化學(xué)研究所朱道本院士和狄重安研究員團隊在國際頂級期刊《科學(xué)》上發(fā)表文章：團隊研制出一種“千瘡百孔”的塑料薄膜，不僅柔軟得像保鮮膜，還能把熱量變成電!更“�！钡氖�，它的核心性能指標(biāo)突破1.64，創(chuàng)下了柔性熱電材料在同溫區(qū)的新世界紀錄。

　　熱量變電能，塑料是“魔法師”

　　先來聊聊啥叫“熱電材料”。簡單說，它就是一個“能量魔術(shù)師”：能把熱量直接變成電，反過來通電還能制冷。聽起來是不是有點玄乎?其實原理很簡單。

　　想象一下，冬天你捧著一杯熱奶茶，手暖了，奶茶涼了——這就是熱量在流動。熱電材料的神奇之處就在于，它能利用這種流動發(fā)電!這種現(xiàn)象叫“塞貝克效應(yīng)”。反過來，給這種材料通上電，它就會一頭變熱一頭變冷，這叫“帕爾貼效應(yīng)”。利用這兩種效應(yīng)，熱電器件既能當(dāng)發(fā)電機，又能當(dāng)小空調(diào)，而且整個過程悄無聲息，沒有污染還不用加燃料，堪稱綠色能源界的“掃地僧”。

　　這很重要嗎?是的!因為，全球每年有超過60%的能源變成了“廢熱”。所謂“廢熱”，就是手機發(fā)燙、電腦散熱、汽車排氣管冒煙時白白流失的那些熱量。如果能把這些熱量回收利用，就可以額外提供很多電。

　　所以科學(xué)家們一直在思考：如何做出一種又軟又薄、可以貼在人體或任何曲面上的“柔性熱電材料”，能悄無聲息地將人身上散發(fā)的熱量變成電能。這樣，當(dāng)你坐著發(fā)呆時，它在給你發(fā)電;你跑步出汗，它更是忙得熱火朝天。

　　但問題來了，這種材料要同時滿足兩個相互矛盾的要求：一方面要像晶體一樣讓電流暢通無阻(高電導(dǎo)率)，另一方面又要像玻璃一樣不讓熱量輕易流走(低熱導(dǎo)率)�？茖W(xué)家稱其為“聲子玻璃—電子晶體”模型。說白了，就是要讓電子“飆車”，讓攜帶熱量的微觀粒子的聲子“迷路”。這聽起來就像是要求一扇門既隔音又透氣，是不是有點矛盾?

　　塑料居然能像金屬一樣導(dǎo)電

　　說到塑料，大家腦海里可能浮現(xiàn)的是電線皮、塑料袋和飲料瓶。但你肯定想不到，塑料曾經(jīng)是“絕緣體”的代名詞。直到20世紀70年代，美國物理學(xué)家艾倫·黑格、化學(xué)家艾倫·馬克迪爾米德和日本化學(xué)家白川英樹發(fā)現(xiàn)了一個顛覆性的現(xiàn)象：給一種叫聚乙炔的塑料加點“料”(碘摻雜)，它居然能像金屬一樣導(dǎo)電!這一發(fā)現(xiàn)不僅徹底打破了“塑料不可導(dǎo)電”的傳統(tǒng)認知，還開啟了一個全新的研究領(lǐng)域——導(dǎo)電聚合物。三位科學(xué)家也因此共同獲得2000年諾貝爾化學(xué)獎。

　　聚合物熱電材料有什么優(yōu)勢?首先，它天生柔軟，可以隨意彎折;其次，它能像噴漆一樣大面積噴涂，成本極低。相比之下，傳統(tǒng)的無機熱電材料(如碲化鉍等)，雖然性能優(yōu)異，但質(zhì)地堅硬且價格昂貴，難以貼合于皮膚表面。

　　不過，這種材料也有它的“軟肋”——性能表現(xiàn)不佳。要知道，衡量熱電材料好不好的關(guān)鍵指標(biāo)是“熱電優(yōu)值”，簡稱zT值。這個值越高，材料的發(fā)電效率就越高。材料界的高手們能把無機柔性材料的zT值做到1.0到1.4，而聚合物卻長期徘徊在0.5以下。2024年，朱道本和狄重安團隊將聚合物的zT值提升到1.28，取得了重要進展，但還是低于無機材料的性能水平。

　　為什么聚合物提升性能這么難?前面說過，熱電材料面臨一個“魚和熊掌”的困境：想要電導(dǎo)率高，就得讓分子排列得整整齊齊;想要熱導(dǎo)率低，就得讓結(jié)構(gòu)像迷宮般錯綜復(fù)雜�？蓡栴}是，分子一整齊，熱量也跟著跑得快;結(jié)構(gòu)一混亂，電子又寸步難行。這就是科學(xué)界所謂的“電—熱輸運的耦合限制”。

　　衣服、水瓶等可化身微型電站

　　那么，科學(xué)家是怎么攻克這個世紀難題的呢?說來也簡單，團隊想出了一個操作：既然有序和無序各有各的好處，那咱們就來個“混搭”：在無序中創(chuàng)造有序，讓兩者各司其職、互不打擾。

　　具體來說，科學(xué)家創(chuàng)造了一種“多孔無序—狹道有序”的雙重結(jié)構(gòu)。想象一下，海綿表面上全是大小不一、亂七八糟的孔洞，但你仔細觀察孔洞之間的“墻壁”，里面的分子卻排列得整整齊齊。這就好比在崎嶇不平的山區(qū)修了幾條筆直的高速公路，熱量被那些孔洞阻擋，來回打轉(zhuǎn)，傳輸緩慢;而電子卻能在整齊的“高速公路”上一路狂飆。

　　怎么造出這種結(jié)構(gòu)呢?科學(xué)家采用了“聚合物相分離”的方法。你見過把油倒進水里的情景嗎?它們會自動分開，互不相溶。科學(xué)家把兩種不同的高分子材料——PDPPSe-12(聚合物半導(dǎo)體)和PS(普通塑料)，溶解在一起，讓它們慢慢揮發(fā)溶劑。結(jié)果呢?這兩種材料也“鬧分家”，被特定溶劑沖洗后，形成了無數(shù)微小的孔洞，尺寸從5.9納米到1.8微米不等，形狀各異、分布無序。但只要控制好比例和條件，科學(xué)家就能精準(zhǔn)調(diào)控孔洞的大小和分布。

　　更有意思的是，在這個“分家”的過程中，導(dǎo)電聚合物被擠在狹小的空間里，反而排起了整齊的隊伍，就像地鐵站高峰期，人群擠在狹窄通道里會自動形成一條隊列�？茖W(xué)家把這種現(xiàn)象稱為“限域效應(yīng)”。

　　效果咋樣?超乎預(yù)期!

　　研究團隊制備的這種不規(guī)則多級孔熱電塑料薄膜，通過協(xié)同調(diào)控多種聲子散射機制，即雜亂無章的孔洞表面不斷散射聲子，不同尺寸的狹縫像篩子一樣篩選不同波長的聲子、無序的狹縫分布還增強了聲子之間的相互碰撞，致使熱導(dǎo)率下降72%!與此同時，限域效應(yīng)使載流子遷移率提升了52%。最終，在約70℃溫度下，材料的zT值一舉突破1.64!

　　這是聚合物熱電材料歷史上首次跨越1.5的門檻，甚至超過同溫區(qū)的柔性無機材料。

　　更讓人興奮的是，這種結(jié)構(gòu)與工業(yè)上成熟的噴涂技術(shù)完美兼容。此前，該團隊制備的高性能柔性熱電材料需要復(fù)雜的工藝，往往要重復(fù)上百次才能制成;而通過這項技術(shù)，制備材料就像噴漆一樣簡單，能夠一次成型，從而大幅降低了制備成本，為大面積應(yīng)用鋪平道路。

　　那么，這項技術(shù)能用在哪?最直接的場景就是可穿戴設(shè)備的自供電。人體和環(huán)境通常有5℃~10℃的溫差——夠用了!當(dāng)未來衣服的面料里織入這種材料，你就是行走的充電寶!

　　物聯(lián)網(wǎng)時代，成千上萬的傳感器部署在各個角落，換電池非常麻煩，而只要有溫差，熱電材料就能給它們源源不斷地供電。同時，由于這種材料具有本征柔性，它可以貼附在很多曲面表層，無論是彎曲的管道還是人體的關(guān)節(jié)部位，都能完美貼合，大大拓展了應(yīng)用場景。

　　從更宏觀的角度看，這項研究不僅是一項技術(shù)突破，更是對軟物質(zhì)材料熱電轉(zhuǎn)換規(guī)律的深刻認知。長期以來，科學(xué)界普遍認為，在弱相互作用主導(dǎo)的有機材料中，很難實現(xiàn)電—熱輸運的協(xié)同調(diào)控。而該項研究用實驗證明，通過精巧的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計，完全可以突破這一限制，將聚合物熱電材料推向?qū)嵱没��?/P>

　　研究團隊還建立了系統(tǒng)的研究方案，為后續(xù)研究者提供了清晰的路線圖。

　　當(dāng)然，從實驗室成果到大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，還有一段路要走。例如，需要進一步提高材料的穩(wěn)定性、優(yōu)化集成工藝、探索更低成本的原材料等。但這項研究已經(jīng)為我們描繪了一個令人神往的未來：在那個世界里，我們身邊的塑料制品，如礦泉水瓶、包裝袋、衣物纖維等，都可能成為一個微型發(fā)電站;曾經(jīng)被忽視的廢棄熱量，將成為取之不盡、用之不竭的綠色能源，無處不在、觸手可及。

（責(zé)任編輯：華康）