思象这么的将来：贴附在皮肤上的透明薄膜，能利用体温与环境温差抓续为智高腕表供电；智能服装不错自主更变温度，罢了冬暖夏凉的效果；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相关快步走向现实。

我国科学家在《自然》发表了一项冲破性相关，该相关由中国科学院化学相关所与北京航空航天大学等机构的相关团队完成，通过更动策画的团员物多异质结（PMHJ）结构，将柔性热电材料的性能普及至接近商用水平，让可衣服动力开拓的限制化应用计日程功。

热电效应：热能与电能不错相互转机

热电效应是一种能够罢了热能与电能径直相互转机的物理现象。这种双向转机包含两个中枢效应：塞贝克效应（Seebeck effect）罢了热能向电能的转机，对应温差发电应用；帕尔贴效应（Peltier effect）则罢了电能向热能的转机，对应热电制冷应用。这两个效应共同组成了当代热电时间的表面基础。

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热电器件温差发电和热电制冷久了图

（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现象：当两种不同导体或半导体材料组成闭合回路，并在商讨处施加温度差时，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意会为“电子瀑布”——高温端的电子获取更多动能，向低温端流动，从而变成电势差。

热电效应比拟彰着的热电偶贯穿到万用表，不错用于显现温度

（维基百科）

13年后，法国科学家帕尔贴发现了这一现象的逆历程：当电流畅过两种材料组成的回路时，一个商讨会汲取热量，另一个商讨则会开释热量。这一效应相等于电子在移动历程中“搬运”热量，其实质即是一个固态制冷历程。帕尔贴效应的发现为无机械领略部件的电子制冷时间奠定了基础。

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圭表

意会了热电效应的基甘愿趣后，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，但绝大大批材料的这种效应齐聊胜于无，难以餍足执行应用需求。那么，什么样的材料才调称得上是优秀的热电材料呢？

谜底就藏在“热电优值ZT”这个谬误参数中。ZT值就像给热电材料打分相似，详尽考量了材料的三个进攻脾气：

ZT=（S²σ/κ）T

其中每个参数齐代表着材料的一项谬误智商：

塞贝克总共S（单元μV/K）：就像材料的“温差敏锐度”，数值越大评释越擅长将温差转为电压。

电导率σ（单元S/cm）：响应材料导电智商的强弱。

热导率κ（单元W/(m • K)）：揣度材料导热性能，数值越小越能保抓温差。

一个完满的热电材料需要在这三个方面齐明白出色：高塞贝克总共、高电导率、低热导率。这就像要寻找一个既跑得快（高电导），又对温度敏锐（高塞贝克总共），还不行太“眷注”（低热导）的万能选手。恰是这种严苛的条件，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

在科学家们不停探索高性能热电材料的历程中，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。然而，这些无机材料广大存在硬度高、脆性大的脾气，难以餍足可衣服开拓的需求。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，不错像创可贴相似紧贴皮肤或复杂曲面；二是统统静音，莫得任何领略部件参与；三是踏实可靠，毋庸牵记回荡和迂回。

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”）尤为引东谈主提神。它们不仅轻如羽毛，还能通过溶液加工罢了低资本制造，其自然的柔滑脾气更是完满契合可衣服开拓的需求。

然而，团员物材料濒临一个谬误瓶颈——热电转机效劳太低（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，理思热电材料需要同期餍足高电导率（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。咫尺，尽管无机超晶格和二维层状结构通过多圭表微结构工程到手解耦电子-声子传输，罢了ZT值显赫普及，但这些体式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死力，尝试了各式体式普及其性能，进展却恒久有限。

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相关堕入瓶颈之际，中国科学家团队在《自然》期刊发表的冲破性相关，为这一范围带来了朝阳。这项相关创造性哄骗团员物多异质结（PMHJ）结构——由两种团员物层过甚夹杂界面层周期性枚举而成，将柔性材料的可衣服脾气与高效热电性能完满趋奉。

PMHJ结构中基础材料和交联剂的化学实质

（参考文件[5]）

为罢了PMHJ（团员物多异质结）策画理念，相关者选定两种不同的优异热电性能团员物（PDPPSe-12与PBTTT）看成基础材料，利用交联剂（4Bx）进行薄膜交联，精确限度交联后的PDPPSe-12和PBTTT层厚区别为6nm和4nm（相等于2-3个分子层），界面互穿层策画为4nm，最终变成（6,4,4）的PMHJ结构。

PMHJ薄膜结构久了图（其中PDPPSe-12层和PBTTT层区别用蓝色和绿色久了）

（参考文件[5]）

PMHJ薄膜不仅保抓优异功率因子（PF=S² • σ，该数值与塞贝克总共、电导率均为正关连），还通过增强界面声子散射获取低面内热导率。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，最终获取1.28的峰值ZT值，其性能忘形同温区商用块体材料和其它柔性热电候选材料。这一收尾成立了纳米结构调控晶格热导率对冲破塑料材料ZT限制的谬误作用。更进攻的是，PMHJ结构与可推广涂覆工艺的兼容性，为开发超柔性、低资本的可衣服热电时间开辟了新路线。

溶液涂覆大面积PMHJ薄膜的执行应用与展示

（参考文件[5]）

当黎明的第一缕阳光洒下，你的智能衣物已在体温的津润中苏醒；当城市的脉搏驱动当先，无数柔性热电安设正沉默回荡着被淡忘的热能。这不再是对将来的憧憬，而是行将到来的现实。

在这条通向绿色将来的谈路上，中国科学家们也曾兀立起第一块里程碑。跟着这项时间的不停发展，咱们有事理敬佩，一个自供电、低排放的智能全国正在向咱们走来——而这，概况即是东谈主类与自然融合共生的终极谜底。

参考文件：

[1] 郭凯,骆军,赵景泰.热电材料的基甘愿趣、谬误问题及相关进展[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”的美艳再会[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].微纳电子时间,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（中国科学时间大学）

监制：中国科普博览

发布于：北京市