想象這樣的未來：貼附在皮膚上的透明薄膜，能利用體溫與環境溫差持續為智能手表供電；智能服裝可以自主調節溫度，實現冬暖夏涼的效果；工廠管道廢熱被柔性材料高效回收并用以發電。這些曾出現在科幻作品中的場景，正在通過柔性熱電材料的研究快步走向現實。

我國科學家在《自然》發表了一項突破性研究，該研究由中國科學院化學研究所與北京航空航天大學等機構的研究團隊完成，通過創新設計的聚合物多異質結（PMHJ）結構，將柔性熱電材料的性能提升至接近商用水平，讓可穿戴能源設備的規?；瘧弥溉湛纱?/p>

熱電效應：熱能與電能可以相互轉換

熱電效應是一種能夠實現熱能與電能直接相互轉換的物理現象。這種雙向轉換包含兩個核心效應：塞貝克效應（Seebeck effect）實現熱能向電能的轉換，對應溫差發電應用；帕爾貼效應（Peltier effect）則實現電能向熱能的轉換，對應熱電制冷應用。這兩個效應共同構成了現代熱電技術的理論基礎。

熱電器件溫差發電和熱電制冷示意圖

（圖片來源：參考文獻[1]）

1821年，德國物理學家托馬斯·塞貝克在實驗中發現了一個奇妙現象：當兩種不同導體或半導體材料組成閉合回路，并在接頭處施加溫度差時，回路中會產生電動勢。這一發現后來被命名為塞貝克效應。其物理機制可以形象地理解為“電子瀑布”——高溫端的電子獲得更多動能，向低溫端流動，從而形成電勢差。

熱電效應比較明顯的熱電偶連接到萬用表，可以用于顯示溫度

（圖片來源：維基百科）

13年后，法國科學家帕爾貼發現了這一現象的逆過程：當電流通過兩種材料組成的回路時，一個接頭會吸收熱量，另一個接頭則會釋放熱量。這一效應相當于電子在移動過程中“搬運”熱量，其本質就是一個固態制冷過程。帕爾貼效應的發現為無機械運動部件的電子制冷技術奠定了基礎。

USB供電的便攜式冷卻器

（圖片來源：維基百科）

熱電優值：評判材料熱電性能的金標準

理解了熱電效應的基本原理后，科學家們一直在尋找能夠替代傳統發電機組和壓縮式制冷機的固體熱電材料。雖然從理論上說，所有材料都具備熱電效應，但絕大多數材料的這種效應都微乎其微，難以滿足實際應用需求。那么，什么樣的材料才能稱得上是優秀的熱電材料呢？

答案就藏在“熱電優值ZT”這個關鍵參數中。ZT值就像給熱電材料打分一樣，綜合考量了材料的三個重要特性：

ZT=（S2σ/κ）T

其中每個參數都代表著材料的一項關鍵能力：

塞貝克系數S（單位μV/K）：就像材料的“溫差敏感度”，數值越大說明越擅長將溫差轉為電壓。

電導率σ（單位S/cm）：反映材料導電能力的強弱。

熱導率κ（單位W/(m ? K)）：衡量材料導熱性能，數值越小越能保持溫差。

一個完美的熱電材料需要在這三個方面都表現出色：高塞貝克系數、高電導率、低熱導率。這就像要尋找一個既跑得快（高電導），又對溫度敏感（高塞貝克系數），還不能太“熱心”（低熱導）的全能選手。正是這種嚴苛的要求，使得高性能熱電材料的開發充滿了挑戰。

柔性半導體：讓電子器件“穿”在身上

在科學家們不斷探索高性能熱電材料的過程中，一系列突破性材料相繼問世，如鉍碲合金、錫硒單晶等傳統熱電材料。然而，這些無機材料普遍存在硬度高、脆性大的特點，難以滿足可穿戴設備的需求。這時，柔性半導體材料走進了科研人員的視野。

利用柔性半導體材料制得的熱電發電機（TEGs）具有三大獨特優勢：一是超強貼合性，可以像創可貼一樣緊貼皮膚或復雜曲面；二是完全靜音，沒有任何運動部件參與；三是穩定可靠，不用擔心震動和彎曲。

一些導電聚合物的化學結構

（圖片來源：維基百科）

其中，聚合物半導體材料（也就是俗稱的“導電塑料”）尤為引人注目。它們不僅輕如羽毛，還能通過溶液加工實現低成本制造，其天然的柔軟特性更是完美契合可穿戴設備的需求。

然而，聚合物材料面臨一個關鍵瓶頸——熱電轉換效率太低（ZT值僅0.01-0.5），遠不如商用塊體材料（ZT298K=0.8-1.0）。這一差距的根源在于：在“聲子玻璃-電子晶體”理論模型框架下，理想熱電材料需要同時滿足高電導率（σ）和低熱導率（κ）的矛盾需求——電荷傳輸接近晶體極限，而聲子散射達到非晶極限。目前，盡管無機超晶格和二維層狀結構通過多尺度微結構工程成功解耦電子-聲子傳輸，實現ZT值顯著提升，但這些方法難以直接應用于聚合物體系。盡管科研人員付出了數十年努力，嘗試了各種方法提升其性能，進展卻始終有限。

強強聯手：當柔性材料遇上高效熱電

在基于聚合物的柔性熱電材料研究陷入瓶頸之際，中國科學家團隊在《自然》期刊發表的突破性研究，為這一領域帶來了曙光。這項研究創造性運用聚合物多異質結（PMHJ）結構——由兩種聚合物層及其混合界面層周期性排列而成，將柔性材料的可穿戴特性與高效熱電性能完美結合。

PMHJ結構中基礎材料和交聯劑的化學本質

（圖片來源：參考文獻[5]）

為實現PMHJ（聚合物多異質結）設計理念，研究者選用兩種不同的優異熱電性能聚合物（PDPPSe-12與PBTTT）作為基礎材料，利用交聯劑（4Bx）進行薄膜交聯，精準控制交聯后的PDPPSe-12和PBTTT層厚分別為6nm和4nm（相當于2-3個分子層），界面互穿層設計為4nm，最終形成（6,4,4）的PMHJ結構。

PMHJ薄膜結構示意圖（其中PDPPSe-12層和PBTTT層分別用藍色和綠色表示）

（圖片來源：參考文獻[5]）

PMHJ薄膜不僅保持優異功率因子（PF=S2 ? σ，該數值與塞貝克系數、電導率均為正相關），還通過增強界面聲子散射獲得低面內熱導率。該薄膜在368 K時達到0.18W ? m?1 ? K?1的低面內熱導率和628μW ? m?1 ? K?2的高功率因子，最終獲得1.28的峰值ZT值，其性能媲美同溫區商用塊體材料和其它柔性熱電候選材料。這一成果確立了納米結構調控晶格熱導率對突破塑料材料ZT限制的關鍵作用。更重要的是，PMHJ結構與可擴展涂覆工藝的兼容性，為開發超柔性、低成本的可穿戴熱電技術開辟了新途徑。

溶液涂覆大面積PMHJ薄膜的實際應用與展示

（圖片來源：參考文獻[5]）

當清晨的第一縷陽光灑下，你的智能衣物已在體溫的滋養中蘇醒；當城市的脈搏開始跳動，無數柔性熱電裝置正默默轉化著被遺忘的熱能。這不再是對未來的憧憬，而是即將到來的現實。

在這條通向綠色未來的道路上，中國科學家們已經矗立起第一塊里程碑。隨著這項技術的不斷發展，我們有理由相信，一個自供電、低排放的智能世界正在向我們走來——而這，或許就是人類與自然和諧共生的終極答案。

參考文獻：

[1] 郭凱,駱軍,趙景泰.熱電材料的基本原理、關鍵問題及研究進展[J].自然雜志,2015,37(03):175-187.

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[4] 陳海明,靳寶善.有機半導體器件的現狀及發展趨勢[J].微納電子技術,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：科普中國

作者：劉煜超（中國科學技術大學）

監制：中國科普博覽