中国新闻北京3月6日电（记者孙子）随着便携式电子设备的普及，人们对于“无需使用电源，永远开机”的情况下继续工作的渴望也越来越强烈。
中国科学家近日提出“从无序中创造秩序”的新策略，开发出一种具有不规则分级孔结构的新型热电聚合物薄膜（IHP-TEP）。这种柔性热电材料有望实现“永久关闭”电子设备的愿望。其核心热电品质因数在70摄氏度左右达到1.64，创下了相同温度范围内柔性热电材料性能的世界纪录。
在这项研究中，我们开发了一种具有不规则分级孔结构的新型热电聚合物薄膜（IHP-TEP）。照片显示了结构的设计理念和表征结果。图片提供：化学研究所中国科学院化学研究所
这一高性能高分子热电材料研发的重要突破是由中国科学院化学研究所朱道本院士和狄崇安研究员团队及其合作者完成的。相关成果于北京时间3月6日凌晨发表在国际学术期刊《科学》网络版上。
重大国际科学问题和颠覆性技术
随着智能手表、健康监测贴片等可穿戴电子设备的普及，频繁充电已成为这些设备的通病。如果能够在各种环境下利用体热或温差发电，则有望使电子设备能够“永久不需用电”运行。
热电材料是实现这一目标的关键材料。热能直接转换即可实现电能转化。当物料两端存在温差时，热能直接转化为电能。这就是“塞贝克效应”。相反，当电流通过材料时，材料的一端变热，另一端变冷。这就是“珀耳帖效应”。
由于这一特性，高性能热电材料有望在余热回收、固态制冷等领域拥有广泛的应用。它们特别适合新型电子产品的自供电需求，例如可穿戴设备和物联网传感器等。它们也被科学界视为世界上最大的科学问题和颠覆性技术之一。有机热电材料具有固有的柔韧性和溶液加工性，可应用于多种曲面，不断将人类的能量转化为能量。将身体热量或环境“废热”转化为电能。与传统无机热电材料相比，高分子材料具有重量轻、柔韧性好、能够大面积打印等重要优点。然而，高分子热电材料的性能长期落后于无机材料。
目前，柔性无机材料的热电品质因数可以达到1.0～1.4，而有机热电材料的热电品质因数大多低于0.5。尽管中科院化学研究所团队在2024年将聚合物热电材料的热电优值提升至1.28，但与高性能柔性无机材料相比仍存在差距，且复杂的制备工艺限制了其实际应用。
提高聚合物热电性能的主要挑战是各个性能ce参数相互关联且有限，难以独立调整。理想的热电材料符合“声子玻璃电子晶体”模型。对于传热，材料必须具有不规则的“玻璃”状结构，这使得声子难以传播。为了转移电荷，材料必须是“晶体状”并且具有有序的分子积累，从而允许电荷不受阻碍地流动。这种“电和热传输的协同控制”极其困难，并且构成了长期限制聚合物热电性能提高的瓶颈。
未来，绿色能源将惠及所有人。
在本研究中，我们开发了一种具有不规则分级孔结构的热电聚合物膜，并建立了“孔增强无序声子散射”和“限域增强有序分子组装”的新协同控制机制。这种材料充满了na纳米到微米大小的不同尺寸、形状和混乱分布的孔。这种结构有效增强了多声子散射并显着抑制了热传导。同时，纳米孔的限域效应促进了聚合物分子的有序排列，大大提高了电荷传输性能。
从视觉上看，这种结构就像在陡峭的山区修建公路一样。杂乱无章的洞让热量穿过山脉和山脊。另一方面，有序的分子通道确保电荷的“快速通过”。两者各司其职，互不干扰，成功实现了电、热输送的分离和联动。
研究小组表示，他们使用“聚合物相分离”方法来构建该结构。换句话说，将半导体聚合物 PDPPSe-12 和聚苯乙烯（常见塑料）的溶液均匀混合，然后将二者混合o 在溶剂蒸发过程中发生相分离。通过精确控制混合比等参数，可以控制孔隙的尺寸、数量和分布。
新型热电聚合物薄膜的独特结构协同控制了声子边界的色散、声子-声子相互作用和尺寸效应，将热导率降低了72%。同时，空穴限制效应改善了分子的有序组装，使载流子迁移率提高了高达52%。在70摄氏度左右的温度下热电品质因数达到1.64，超过了柔性无机热电材料的等温性能。此外，该结构兼容喷雾技术，在大面积灵活发电方面具有巨大的应用潜力。
这项最新工作打破了联合优化电荷传输和声子色散的传统限制。高分子热电材料的研究为柔性热电材料领域提供了新的发展途径。未来，随着技术的不断发展，我们身边的“塑料”制品可以成为微型发电厂和个人空调，将废热变成宝贵的资源，让绿色能源无处不在、价格实惠。 （完）
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