工業(yè)余熱、人體散熱及電子設(shè)備廢熱等低品位熱能（<373K）約占日常生活廢熱總量的2/3，但其高效利用仍面臨重大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)無機(jī)熱電材料存在熱電勢(shì)低、剛性大、成本高等問題；而新興離子熱電材料（如離子凝膠）雖具備高柔性和巨大熱電勢(shì)（>10 mV K?1），卻因多組分體系導(dǎo)致熱電性能、機(jī)械強(qiáng)度與離子泄漏風(fēng)險(xiǎn)間的矛盾。此外，現(xiàn)有二維平面器件難以貼合復(fù)雜幾何熱源，且無法捕獲空間垂直熱流，嚴(yán)重限制了實(shí)際應(yīng)用。

東華大學(xué)江莞研究員、王連軍教授、孫婷婷博士團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于液晶彈性體（LCE）的熱電離子凝膠纖維，通過精準(zhǔn)調(diào)控介晶取向與離子-聚合物相互作用，實(shí)現(xiàn)了熱電性能的突破性提升：在低濕度（<30% RH）下熱電勢(shì)達(dá)25.8 mV K?1（提升3倍），電導(dǎo)率達(dá)21.5 mS m?1（提升30倍）。進(jìn)一步結(jié)合編織技術(shù)，團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建出類抓手的自驅(qū)動(dòng)熱電裝置，可動(dòng)態(tài)適應(yīng)復(fù)雜形狀熱源，并解耦識(shí)別熱源尺寸/形狀與溫度。該成果為可穿戴設(shè)備與軟機(jī)器人提供了創(chuàng)新解決方案。相關(guān)論文以“An actuatable ionogel thermoelectric fiber with aligned mesogens-induced thermopower for four-dimensional dynamically adaptive heat harvesting”為題，發(fā)表在Nature Communications上。

分子取向優(yōu)化離子通道

研究團(tuán)隊(duì)通過纖維成型工藝誘導(dǎo)介晶定向排列，形成有序離子傳輸通道。二維廣角X射線散射（2D WAXD）分析顯示，纖維的分子鏈間距（4.58 ?）和有序參數(shù)（S=0.34）均優(yōu)于薄膜（4.33 ?, S=0.28）。這種取向結(jié)構(gòu)為離子提供了“高速通道”，顯著提升熱電勢(shì)（圖1b-c）。同時(shí)，軟鏈段EDDET中的醚鍵（C-O-C）選擇性結(jié)合陽離子（EMIM?），進(jìn)一步擴(kuò)大陰陽離子遷移速率差異（圖1d）。

圖1.LCE網(wǎng)絡(luò)中分子間相互作用與介晶取向協(xié)同效應(yīng)的高本征熱電功率設(shè)計(jì)原理及機(jī)理分析

熱電性能全面領(lǐng)先

優(yōu)化后的LCE纖維熱電勢(shì)達(dá)25.8 mV K?1，是薄膜的2.5倍（圖2b-c），創(chuàng)下低濕度環(huán)境下離子熱電材料的最高紀(jì)錄（圖2g）。其電導(dǎo)率（21.5 mS m?1）與超低熱導(dǎo)率（0.11 W m?1K?1）協(xié)同作用，使熱電優(yōu)值（ZT）達(dá)0.035（圖2h）。纖維在10,000秒內(nèi)電壓輸出穩(wěn)定（圖2i），循環(huán)溫變測試中響應(yīng)可靠（圖2j），且無離子泄漏問題，展現(xiàn)出優(yōu)異的實(shí)用性。

圖2.LCE基智能熱電纖維的熱電性能與可靠性

機(jī)械強(qiáng)度與可編織性

該纖維可連續(xù)制備超2米長（圖3a-b），表面光滑無缺陷（SEM/POM驗(yàn)證，圖3c-j）。浸漬6小時(shí)后仍保持高機(jī)械性能（應(yīng)力444.5 kPa，應(yīng)變202.6%），遠(yuǎn)超薄膜（圖3k-l）。穿刺測試中可承受3.1 N應(yīng)力（圖3m-n），編織的中國結(jié)和手鏈在拉伸/扭曲下無斷裂（圖3o-q），證實(shí)其適用于可穿戴場景。

圖3.LCE基智能熱電纖維的光學(xué)特性、力學(xué)性能及可編織性

熱驅(qū)動(dòng)變形機(jī)制

DSC分析揭示LCE纖維在38.9°C–58.7°C發(fā)生液晶相變（圖4a）。60°C加熱時(shí)軸向收縮率達(dá)14.5%，降溫后可完全恢復(fù)（圖4b-c）。通過平針與羅紋編織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，團(tuán)隊(duì)將纖維一維變形轉(zhuǎn)化為織物三維形變：平針結(jié)構(gòu)織物在>40°C時(shí)自發(fā)彎曲，70°C完全卷曲；羅紋結(jié)構(gòu)因扭矩抵消保持穩(wěn)定（圖4d-f）。

圖4.LCE基智能熱電纖維的熱致動(dòng)特性

四維自適應(yīng)器件應(yīng)用

基于上述特性，團(tuán)隊(duì)開發(fā)出全纖維自驅(qū)動(dòng)熱電抓取器（圖5a-b）。其頂部采用羅紋結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，四臂采用平針結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)熱驅(qū)動(dòng)抓取（圖5d-f）。該裝置可自適應(yīng)包裹不同直徑圓柱熱源（Φ10–16 mm），在160°C輸出1.01 V電壓（圖5g-h）。嵌入纖維的抓臂通過電阻變化率（ΔR/R?）感知彎曲角度，通過電壓信號(hào)解耦識(shí)別溫度（圖5i-n），成功實(shí)現(xiàn)對(duì)球體尺寸（圖5o）及多形狀物體（球體/立方體/三棱柱等）的分類識(shí)別（圖5p）。

圖5.全纖維基自適應(yīng)熱電裝置的制備方法及性能測試

展望

該研究首創(chuàng)了兼具高熱電性能與自驅(qū)動(dòng)功能的離子凝膠纖維，突破了復(fù)雜幾何熱源的能量捕獲瓶頸。其創(chuàng)新的“分子取向-離子協(xié)同”設(shè)計(jì)策略為離子熱電材料提供了新范式，而四維動(dòng)態(tài)自適應(yīng)器件的成功演示，為智能織物、軟體機(jī)器人及可穿戴能源系統(tǒng)開辟了產(chǎn)業(yè)化路徑。未來，該技術(shù)有望成為低品位熱能回收的核心解決方案。

來源：高分子科學(xué)前沿

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