我国科学家突破柔性热电材料瓶颈 无序多孔结构实现热能高效转化

问题:在能源利用与低碳转型背景下,如何将分散的低品位热能转化为可用电能,是提升能效的重要课题。

热电材料因可在温差存在时直接发电、通电后实现一端制热一端制冷,被视作废热回收与固态制冷的关键材料之一。

但在实际场景中,设备往往需要材料既轻薄柔软、可贴附人体或曲面,又要具备较高的热电转换效率,这对材料体系提出了更高要求。

原因:制约聚合物(塑料)热电材料走向实用的核心瓶颈,在于其关键性能长期落后于传统无机体系。

聚合物材料虽具备质轻、柔韧、加工成本相对较低等优势,但要实现高效率热电转换,必须同时满足“电流传得快、热量传得慢”这对天然矛盾:电输运依赖连续高效的载流通道,而降低热导往往需要引入缺陷或界面以散射声子,二者在材料结构上容易相互牵制。

聚合物分子链排列无序、载流子迁移率有限等因素,也使其性能提升更为困难。

影响:此次中国科学院化学研究所团队提出并验证了一条新的结构设计路径,即在“无序”结构中诱导“有序”输运,实现热与电的协同调控。

研究人员研制的塑料热电薄膜内部形成纳米至微米尺度相结合的不规则多级孔洞,孔洞形状、尺寸与分布呈现多样化与非规则特征。

一方面,多尺度孔结构显著增加热传导路径的曲折度与散射中心数量,从而有效抑制热量传输;另一方面,纳米尺度孔隙又能对聚合物分子链的局部排列起到诱导作用,促使形成更有利于电荷输运的有序通道,使电子在材料中更顺畅“通行”。

据介绍,该薄膜在同温区实现核心性能指标提升并刷新柔性热电材料纪录,为柔性器件应用奠定了更扎实的材料基础。

对策:从科研方法看,这一成果体现出面向应用需求的“结构工程”思路:不再单纯依赖材料成分替换或掺杂提升,而是通过精细化的微纳结构构建,在热导与电导之间寻求新的平衡点。

对行业而言,后续推进实用化仍需多措并举:其一,围绕规模化制备与一致性控制,建立可复制的工艺窗口,确保孔结构在大面积薄膜上的均匀性与稳定性;其二,面向可穿戴与贴附式场景,加强材料在弯折、拉伸、汗液与环境温湿变化条件下的可靠性评估;其三,与器件工程协同设计,将材料性能优势转化为系统级的能量管理能力,例如低功耗传感、间歇式供能与储能单元匹配等。

前景:业内人士认为,柔性热电材料若能在效率、稳定性与制造成本之间实现综合优化,将在多个领域打开增量空间。

在可穿戴设备方面,人体与环境之间普遍存在温差,若材料性能进一步提升,有望为健康监测、运动记录等低功耗终端提供补充电源,降低对电池频繁充电的依赖;在固态制冷方面,贴附式、静音、可局部精确温控的器件形态,适用于电子器件散热、医疗康复与个体化热管理等场景;在物联网部署方面,面向分布式传感网络的“自供能”需求,热电材料可与光伏、振动能等形成互补,提升系统续航与部署灵活性。

随着相关成果发表于《科学》,预计将进一步带动国内外对聚合物热电材料结构设计与器件集成的持续关注与投入。

从跟跑到并跑再到领跑,我国科研工作者在新材料领域的持续攻关正在不断改写世界科技版图。

这项成果不仅体现了基础研究的创新突破,更昭示着能源利用方式变革的广阔前景。

当微小的温差也能转化为可用电能,当柔性材料也能承载高效能量转换,人类对清洁能源的利用将迈向更加精细化、智能化的新阶段。

科技创新永无止境,从实验室到产业化应用,这条道路依然任重道远,但每一次突破都在为构建更加高效、绿色的能源体系积蓄力量。