在智能手表、健康監(jiān)測貼片等可穿戴設備日益普及的今天，頻繁充電的困擾始終如影隨形。若能借助體溫與環(huán)境溫差實現(xiàn)發(fā)電，這些設備將有望擺脫電源束縛，實現(xiàn)“永不斷電”的愿景。近日，一項突破性研究為這一目標帶來了關鍵進展——科研團隊成功研制出一種具有不規(guī)則多級孔結構的塑料熱電薄膜，其核心性能指標熱電優(yōu)值達到1.64，刷新了柔性熱電材料在同溫區(qū)的性能紀錄。

熱電材料被譽為“能量魔術師”，其獨特之處在于能夠直接將熱能與電能相互轉換。全球每年超過60%的能源以廢熱形式散失，若能有效回收利用，將產生巨大的節(jié)能減排效益。柔性熱電材料因兼具柔韌性與可彎折性，可貼附于人體、衣物等曲面，在無聲無息中將周圍廢熱轉化為電能，成為物聯(lián)網(wǎng)傳感器、可穿戴發(fā)電設備等領域的理想材料。然而，理想的柔性熱電材料需同時滿足高電導率與低熱導率，這一矛盾特性長期制約著其發(fā)展。

傳統(tǒng)聚合物熱電材料因性能瓶頸，熱電優(yōu)值長期徘徊在0.5以下，遠低于國際報道的高性能柔性無機熱電材料（1.0-1.4）。2024年，研究團隊曾將聚合物熱電材料的熱電優(yōu)值提升至1.28，但仍未突破柔性無機材料的性能上限，成為制約其實用化的關鍵難題。此次突破源于團隊提出的“無序-有序”協(xié)同調控理念：通過構建“多孔無序-狹道有序”的雙重結構，在材料中同時實現(xiàn)熱量傳遞的阻礙與電子傳輸?shù)臅惩ā?/p>

從微觀結構看，這種材料如同布滿孔洞的海綿，孔徑從5.9納米到1.8微米不等，形狀各異且分布無序；而納米級孔隙則像精密模具，引導聚合物分子排列成高度有序的通道。這種設計巧妙地利用了物理特性：無序孔洞迫使熱量“翻山越嶺”，大幅降低熱導率；有序分子通道則保障電子“高速通行”，提升電導率。研究團隊通過“聚合物相分離”方法制造該結構——類似油水混合后自然分離的過程，聚合物在狹小空間中被“擠壓”形成有序排列，最終實現(xiàn)孔洞無序與分子有序的協(xié)同。

制備工藝的簡化是另一大亮點。此前，高性能柔性熱電材料需重復制備100次才能成型，而新技術兼容噴涂工藝，可像噴漆一樣一次完成，為大規(guī)模生產鋪平道路。實驗數(shù)據(jù)顯示，該熱電塑料薄膜的熱導率降低72%，載流子遷移率提升52%，熱電優(yōu)值達1.64，創(chuàng)造了同類材料的世界紀錄。

這項技術的直接應用場景是可穿戴設備的自供電。人體與環(huán)境間5-10℃的溫差，足以讓熱電薄膜產生可觀電能。更令人期待的是，其與噴涂工藝的兼容性使未來大規(guī)模、低成本制造成為可能——想象一下，未來衣物面料中嵌入這種材料，穿在身上即可化身移動電源；物聯(lián)網(wǎng)時代，數(shù)以億計部署在建筑外墻、野外環(huán)境的傳感器，無需更換電池，僅憑溫差就能持續(xù)工作。有機材料的柔性特性更使其可貼附于各種曲面，極大拓展了應用邊界。

長期以來，科學界認為在弱相互作用主導的有機材料中，難以實現(xiàn)電-熱輸運的協(xié)同調控。而此次研究突破了這一限制，推動聚合物熱電材料邁入實用化階段，為能源回收與物聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展提供了全新解決方案。