狄重安
近日，由中國科學院化學研究所團隊、北京航空航天大學團隊與合作者研制出的一種高性能塑料基熱電材料，不僅質地輕軟，還能利用溫差發電。該材料在可穿戴能源器件等領域具有重要應用前景，相關成果在國際學術期刊《自然》發表。
當前，聚合物熱電材料是全球新材料研究的前沿領域。美國國家科學院在其《材料研究前沿：十年調查》報告中，将聚合物熱電材料列入2020—2030年材料研究的重要方向之一。通俗地說，熱電材料是指能夠利用兩端溫差驅動材料内部的電荷移動、産生電壓發電的功能材料；反過來，如果給熱電材料通電，電荷移動會吸收或釋放熱量，它又能實現一端變冷而另一端變熱，從而進行加熱和制冷。
熱電材料的這兩種“本領”都具有廣闊的應用前景。利用環境熱發電可以孕育新形态的能量供給鍊條，為物聯網和健康監測等領域的貼附式能源器件提供持續電力。例如，人們可以将熱電材料制作成精美的腕帶和色彩斑斓的熱電塗料，利用體溫或汽車内外的溫差為手機、智能手表和可穿戴傳感器等電子設備充電，讓電力的供給無處不在。此外，利用熱電材料制冷的技術正朝着便攜式控溫的方向發展。或許在若幹年後，人們可以身穿溫度可調的服裝，在炎炎夏日沉浸式享受“貼身降溫”的快樂。
從上世紀開始，科學家就開始嘗試利用人工合成的聚合物(俗稱塑料)來發展熱電材料。塑料質地柔軟輕巧，是可穿戴熱電材料的理想選擇之一，但需要解決不少難題。比如，普通的塑料在傳統意義上屬于絕緣體，無法導電，更無法實現熱電轉換。不過，科學家發現，經過化學摻雜的聚合物能夠具備優異的導電能力，颠覆了“塑料不能導電”的認知，為塑料基熱電材料的發展提供了理論支撐。
盡管在原理上可行，高性能聚合物熱電材料發展仍充滿挑戰。這主要是由于高性能聚合物熱電材料需要同時具備三個特性：高熱電轉化能力、高電導率和低熱導率。具體來說，理想的熱電材料既要像玻璃一樣阻擋熱量的傳導，又要像晶體一樣允許電荷自由移動，因此也被稱為“聲子玻璃—電子晶體”模型。
此次，中國科研團隊研制的聚合物多周期異質結(PMHJ)熱電材料，就是一種更接近“聲子玻璃—電子晶體”模型的熱電塑料。這種結構可以形象地理解為由兩種口味蛋糕做成的多層夾心蛋糕，其中的夾心是兩種蛋糕混合起來的。具體來說，這種材料利用兩種不同的聚合物，構建了一個周期有序的納米結構。按這種結構制備出來的薄膜最高熱電優值(熱電材料的核心指标)可以達1.28，達到了商品化材料在同溫區的熱電性能水平。同時，團隊利用溶液法技術實現了PMHJ薄膜的大面積制備。
打開一扇大門，最需要的是找到合适的鑰匙。PMHJ或許會成為打開高性能塑料基熱電材料的那一把鑰匙。穿過這扇大門，科學家有望重新認識“塑料類軟物質”的新功能特性和規律，拓展人們的認知邊界，為相關領域的基礎研究提供新的思路。柔性熱電材料的應用研究也将更為活躍，最終有望步入實用化時代，讓人們早日享受“随身空調”和“貼身電力”帶來的福利。我們期待，“塑料”和“溫差”的邂逅會使未來社會的“綠色能源”無處不在!
(作者為中國科學院化學研究所研究員)
《 人民日報 》( 2024年08月23日 16 版)
