在可穿戴電子設(shè)備日益普及的今天，如何讓這些設(shè)備擺脫頻繁充電的困擾，實(shí)現(xiàn)“永不斷電”的持續(xù)工作，成為了科技界關(guān)注的焦點(diǎn)。中國科學(xué)家近期提出了一項(xiàng)創(chuàng)新策略——“無序中創(chuàng)造有序”，并成功研發(fā)出一種具有不規(guī)則多級孔結(jié)構(gòu)的新型熱電聚合物薄膜（IHP-TEP），為這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)帶來了新的希望。

這種新型熱電材料的核心性能指標(biāo)——熱電優(yōu)值，在約70攝氏度的條件下達(dá)到了驚人的1.64，刷新了柔性熱電材料在同溫區(qū)的世界紀(jì)錄。這一突破由中國科學(xué)院化學(xué)研究所的朱道本院士、狄重安研究員團(tuán)隊(duì)及其合作者共同完成，其研究成果已在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上發(fā)表。

隨著智能手表、健康監(jiān)測貼片等可穿戴設(shè)備的廣泛應(yīng)用，利用體溫和環(huán)境溫差進(jìn)行發(fā)電，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自供電，成為了科技界追求的目標(biāo)。熱電材料，作為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵，能夠?qū)崮苤苯愚D(zhuǎn)換為電能，反之亦然，這種特性使其在廢熱回收、固態(tài)制冷等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

相較于傳統(tǒng)的無機(jī)熱電材料，聚合物熱電材料以其質(zhì)輕、柔性好、可大面積印刷等優(yōu)勢，更適用于可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)傳感器等新型電子產(chǎn)品的自供電需求。然而，長期以來，聚合物熱電材料的性能一直落后于無機(jī)材料，成為制約其走向?qū)嵱没闹饕系K。

聚合物熱電性能提升的關(guān)鍵在于如何獨(dú)立調(diào)控各性能參數(shù)，避免它們之間的相互耦合與制約。理想的熱電材料應(yīng)符合“聲子玻璃-電子晶體”模型，即對熱量傳遞要像“玻璃”一樣無序，以抑制熱傳導(dǎo)；對電荷傳輸則要像“晶體”一樣有序，以促進(jìn)電荷的流動。然而，這種“電-熱輸運(yùn)的協(xié)同調(diào)控”難度極大，一直是聚合物熱電性能提升的瓶頸。

針對這一難題，研究團(tuán)隊(duì)研制出了一種具有不規(guī)則多級孔結(jié)構(gòu)的熱電聚合物薄膜。這種薄膜內(nèi)部布滿了尺寸各異、形狀不一、分布無序的納米至微米級孔洞，這些孔洞有效增強(qiáng)了多重聲子散射，顯著抑制了熱傳導(dǎo)。同時，納米孔道的限域效應(yīng)促使聚合物分子有序排列，顯著提升了電荷輸運(yùn)性能。

研究團(tuán)隊(duì)形象地比喻這一結(jié)構(gòu)為在崎嶇山地中修建高速公路：無序孔洞迫使熱量“翻山越嶺”，而有序分子通道則保障電荷“高速通行”。這種結(jié)構(gòu)成功實(shí)現(xiàn)了電-熱輸運(yùn)的解耦和協(xié)同提升，為聚合物熱電材料的發(fā)展開辟了新的道路。

為了構(gòu)建這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，研究團(tuán)隊(duì)采用了“聚合物相分離”方法。他們將聚合物半導(dǎo)體PDPPSe-12和聚苯乙烯溶液均勻混合，在溶劑揮發(fā)過程中，兩者發(fā)生相分離。通過精確控制共混比例等參數(shù)，研究團(tuán)隊(duì)成功調(diào)控了孔的大小、數(shù)量和分布。

新型熱電聚合物薄膜的獨(dú)特結(jié)構(gòu)不僅顯著降低了熱導(dǎo)率，還提升了載流子遷移率。在溫度約70攝氏度時，其熱電優(yōu)值最高達(dá)到了1.64，超越了柔性無機(jī)熱電材料的同溫區(qū)性能。該結(jié)構(gòu)與噴涂技術(shù)相兼容，在大面積柔性發(fā)電方面具有重要應(yīng)用潛力。