體溫即可發電！中科院研發新型柔性材料，智能穿戴告別“充電焦慮”

據中國科學院官網信息，其化學研究所研究團隊近日成功開發出一種具有不規則多級孔結構的柔性熱電塑料薄膜。該成果已正式發表在國際頂級學術期刊《Science》上。這項技術能夠直接將環境溫差（如人體熱量）轉化為電能，且全過程無污染、無噪音，為可穿戴設備、物聯網傳感器及貼附式制冷技術提供了關鍵的材料支撐。

據統計，全球每年有超過60%的能源最終以“廢熱”的形式散失到環境中。如何高效回收這些熱能，一直是能源領域的難題。熱電材料被譽為“能量魔術師”，能夠實現熱能與電能的直接轉換。然而，傳統的熱電材料往往質地堅硬、易碎，難以應用于人體或曲面設備。

理想的柔性熱電材料需要同時滿足兩個看似矛盾的條件：既要像晶體一樣擁有高電導率，以保證電荷高效傳輸；又要像玻璃一樣擁有低熱導率，以阻止熱量快速流失從而維持溫差。科學界將這一目標稱為“聲子玻璃—電子晶體”模型。長期以來，受限于有機材料弱相互作用的特性，這一目標極難實現。

中科院團隊創新性提出了“無序—有序”協同調控理念，成功破解了這一難題。

圖源：Science

該團隊采用“聚合物相分離”方法制造上述結構，就像油和水混合后會自然分離一樣，研究人員將兩種高分子材料溶解混合，在溶劑揮發過程中，兩種聚合物通過分相自然“分家”。通過精確控制條件（比如聚合物的配比等），科研人員能精確調控孔洞的大小、數量和分布。相分離過程中導電聚合物被“擠壓”在狹小空間里，但這種“限域效應”反而促進了分子的有序排列，就像人群在狹窄通道中會自然排成整齊隊列。由此，孔洞的無序和分子的有序就同時實現了。

這種類似海綿的結構發揮了雙重作用：一方面，無序的孔洞迫使負責傳遞熱量的微觀振動（聲子）不斷“翻山越嶺”，使熱導率大幅降低72%，僅為0.16W·m-1·K-1，有效鎖住了熱量；另一方面，孔洞內部的狹小空間產生了“限域效應”，迫使聚合物分子排列得更加緊密整齊，如同人群在狹窄通道中自然排成隊列，從而構建出高效的電荷傳輸通道，使電子遷移率最高提升52%。

數據顯示，在約70°C的條件下，這種名為IHP-TEP的新型薄膜熱電優值（zT）達到了創紀錄的1.64。這不僅超越了此前聚合物材料1.28的世界紀錄，甚至優于部分柔性無機材料，實現了聚合物熱電材料zT>1.5的歷史性跨越。

除了性能卓越，該材料的制備工藝也極具商業潛力。與此前高性能柔性材料需要復雜、重復上百次的工藝不同，新技術兼容簡單的噴涂工藝。研究人員表示，這種薄膜可以像噴漆一樣一次成型，也可以像印刷報紙一樣進行大面積、低成本的大規模生產。

這意味著，未來這種材料可以被直接織入衣物面料，成為隨身的“移動電源”；或者制成超薄貼片，為醫療監測設備、智能穿戴產品提供源源不斷的綠色電力。

中科院化學所的這一突破，不僅加深了學界對軟物質材料熱電轉換規律的認知，更建立了一套清晰的研究路線圖。