念念象这么的改日：贴附在皮肤上的透明薄膜，能利用体温与环境温差执续为智高腕表供电；智能服装不错自主调整温度，结束冬暖夏凉的效果；工场管谈废热被柔性材料高效回收并用以发电。这些曾出当今科幻作品中的场景，正在通过柔性热电材料的洽商快步走向现实。

我国科学家在《自然》发表了一项冲破性洽商，该洽商由中国科学院化学洽商所与北京航空航天大学等机构的洽商团队完成，通过立异预备的团员物多异质结（PMHJ）结构，将柔性热电材料的性能擢升至接近商用水平，让可衣裳动力征战的范畴化应用凯旋在望。

热电效应：热能与电能不错互相转化

热电效应是一种能够结束热能与电能径直互相转化的物理表象。这种双向转化包含两个中枢效应：塞贝克效应（Seebeck effect）结束热能向电能的转化，对应温差发电应用；帕尔贴效应（Peltier effect）则结束电能向热能的转化，对应热电制冷应用。这两个效应共同组成了当代热电技巧的表面基础。

热电器件温差发电和热电制冷透露图

（参考文件[1]）

1821年，德国物理学家托马斯·塞贝克在实验中发现了一个奇妙表象：当两种不同导体或半导体材料组成闭合回路，并在谈论处施加温度差时，回路中会产生电动势。这一发现自后被定名为塞贝克效应。其物理机制不错形象地通晓为“电子瀑布”——高温端的电子得回更多动能，向低温端流动，从而酿成电势差。

热电效应相比赫然的热电偶相连到万用表，不错用于泄漏温度

（维基百科）

13年后，法国科学家帕尔贴发现了这一表象的逆经过：当电畅通过两种材料组成的回路时，一个谈论会摄取热量，另一个谈论则会开释热量。这一效应相等于电子在出动经过中“搬运”热量，其实质即是一个固态制冷经过。帕尔贴效应的发现为无机械通顺部件的电子制冷技巧奠定了基础。

USB供电的便携式冷却器

（维基百科）

热电优值：评判材料热电性能的金规范

通晓了热电效应的基应许趣后，科学家们一直在寻找能够替代传统发电机组和压缩式制冷机的固体热电材料。自然从表面上说，统统材料齐具备热电效应，但绝大大齐材料的这种效应齐聊胜于无，难以闲适现实应用需求。那么，什么样的材料才能称得上是优秀的热电材料呢？

谜底就藏在“热电优值ZT”这个要津参数中。ZT值就像给热电材料打分相同，轮廓考量了材料的三个迫切脾气：

ZT=（S²σ/κ）T

其中每个参数齐代表着材料的一项要津才智：

塞贝克统统S（单元μV/K）：就像材料的“温差明锐度”，数值越大施展越擅长将温差转为电压。

电导率σ（单元S/cm）：反应材料导电才智的强弱。

热导率κ（单元W/(m • K)）：揣摸材料导热性能，数值越小越能保执温差。

一个齐全的热电材料需要在这三个方面齐发达出色：高塞贝克统统、高电导率、低热导率。这就像要寻找一个既跑得快（高电导），又对温度明锐（高塞贝克统统），还不可太“温雅”（低热导）的万能选手。恰是这种严苛的条目，使得高性能热电材料的开发充满了挑战。

柔性半导体：让电子器件“穿”在身上

在科学家们束缚探索高性能热电材料的经过中，一系列冲破性材料接踵问世，如铋碲合金、锡硒单晶等传统热电材料。然则，这些无机材料广宽存在硬度高、脆性大的特质，难以闲适可衣裳征战的需求。这时，柔性半导体材料走进了科研东谈主员的视线。

利用柔性半导体材料制得的热电发电机（TEGs）具有三大特有上风：一是超强贴合性，不错像创可贴相同紧贴皮肤或复杂曲面；二是统统静音，莫得任何通顺部件参与；三是踏实可靠，毋庸驰念漂流和逶迤。

一些导电团员物的化学结构

（维基百科）

其中，团员物半导体材料（也即是俗称的“导电塑料”）尤为引东谈主注目。它们不仅轻如羽毛，还能通过溶液加工结束低本钱制造，其自然的柔滑脾气更是齐全契合可衣裳征战的需求。

然则，团员物材料濒临一个要津瓶颈——热电转化效用太低（ZT值仅0.01-0.5），远不如商用块体材料（ZT298K=0.8-1.0）。这一差距的根源在于：在“声子玻璃-电子晶体”表面模子框架下，理念念热电材料需要同期闲适高电导率（σ）和低热导率（κ）的矛盾需求——电荷传输接近晶体极限，而声子散射达到非晶极限。当前，尽管无机超晶格和二维层状结构通过多规范微结构工程得胜解耦电子-声子传输，结束ZT值权臣擢升，但这些才略难以径直应用于团员物体系。尽管科研东谈主员付出了数十年致力于，尝试了各式才略擢升其性能，进展却永久有限。

强强联手：当柔性材料遇上高效热电

在基于团员物的柔性热电材料洽商堕入瓶颈之际，中国科学家团队在《自然》期刊发表的冲破性洽商，为这一领域带来了晨曦。这项洽商创造性哄骗团员物多异质结（PMHJ）结构——由两种团员物层过火搀和界面层周期性摆设而成，将柔性材料的可衣裳脾气与高效热电性能齐全结合。

PMHJ结构中基础材料和交联剂的化学实质

（参考文件[5]）

为结束PMHJ（团员物多异质结）预备理念，洽商者采取两种不同的优异热电性能团员物（PDPPSe-12与PBTTT）手脚基础材料，利用交联剂（4Bx）进行薄膜交联，精确规矩交联后的PDPPSe-12和PBTTT层厚分离为6nm和4nm（相等于2-3个分子层），界面互穿层预备为4nm，最终酿成（6,4,4）的PMHJ结构。

PMHJ薄膜结构透露图（其中PDPPSe-12层和PBTTT层分离用蓝色和绿色透露）

（参考文件[5]）

PMHJ薄膜不仅保执优异功率因子（PF=S² • σ，该数值与塞贝克统统、电导率均为正关系），还通过增强界面声子散射得回低面内热导率。该薄膜在368 K时达到0.18W • m⁻¹ • K⁻¹的低面内热导率和628μW • m⁻¹ • K⁻²的高功率因子，最终得回1.28的峰值ZT值，其性能比好意思同温区商用块体材料和其它柔性热电候选材料。这一收尾成就了纳米结构调控晶格热导率对冲破塑料材料ZT截止的要津作用。更迫切的是，PMHJ结构与可扩张涂覆工艺的兼容性，为开发超柔性、低本钱的可衣裳热电技巧开辟了新道路。

溶液涂覆大面积PMHJ薄膜的现实应用与展示

（参考文件[5]）

当朝晨的第一缕阳光洒下，你的智能衣物已在体温的滋补中苏醒；当城市的脉搏运转向上，无数柔性热电安装正缄默漂流着被渐忘的热能。这不再是对改日的憧憬，而是行将到来的现实。

在这条通向绿色改日的谈路上，中国科学家们仍是直立起第一块里程碑。跟着这项技巧的束缚发展，咱们有根由深信，一个自供电、低排放的智能寰宇正在向咱们走来——而这，简略即是东谈主类与自然妥洽共生的终极谜底。

参考文件：

[1] 郭凯,骆军,赵景泰.热电材料的基应许趣、要津问题及洽商进展[J].自然杂志,2015,37(03):175-187.

[2] 钱伯章.我国科学家研制出高性能塑料基热电材料[J].合成材料老化与应用,2024,53(05):87.DOI:10.16584/j.cnki.issn1671-5381.2024.05.025.

[3]甘晓.“塑料”与“温差”的秀好意思再会[N].中国科学报,2024-07-26(001).DOI:10.28514/n.cnki.nkxsb.2024.001551.

[4] 陈海明,靳宝善.有机半导体器件的近况及发展趋势[J].微纳电子技巧,2010,47(08):470-474.

[5]Wang D, Ding J, Ma Y, et al. Multi-heterojunctioned plastics with high thermoelectric figure of merit [J]. Nature, 2024, 632(8025): 528-35.

出品：科普中国

作家：刘煜超（中国科学技巧大学）

监制：中国科普博览