依托怀柔科学城技术上的支持 我科学家发掘热电塑料无限潜能

时间: 2024-10-12 22:00:44 |   作者: 家居及玩具

  想象一下，如果你的智能手表、运动手环甚至手机不再需要外接电源频繁充电，而是通过吸收你身体散发的热量来自行供电，会是一种什么体验？

  近日，中国科学院化学研究所朱道本、狄重安团队与多个国内外顶尖科研团队合作，依托怀柔科学城科学设施平台的尖端技术支持，提出并成功构建了一种叫做多周期异质结聚合物（PMHJ）的热电材料，为未来的可穿戴设备和物联网的发展带来了新的可能，相关研究成果在线发表于《自然》。

  热电材料的神奇之处在于能够将温差直接转换为电能。简单来说，就应该将人体散发的热量、工业设施释放的废热等环境中的热量，转化为可用的电能，由此减少对外接电源的依赖。

  中国科学院化学研究所研究员狄重安介绍，目前，最常用的高效热电材料大多是由无机材料制造成的，虽然它们性能优秀，但柔韧性相对较差，难以应用于可穿戴设备和其他很多需要弯曲、贴附的使用场景。科学家们一直在寻找一种既能有效转换热量，又足够轻便、灵活的材料。而塑料，正是这个梦想的最佳选择。

  要让塑料实现高效的热电转换，是科学界面临的一项艰难挑战。塑料，作为一种轻便、廉价且柔性的材料，大范围的应用于日常生活中。但是常规塑料的一个最严重的问题是，它既不导电，也不导热。而要实现热电转换，材料必须同时具备高导电性和低热导率，这听起来像是让两件完全相反的事情同时发生。

  面对这一难题，朱道本和狄重安团队与多个国内外顶尖的科研团队合作，提出了一个绝妙的解决方案——“多周期异质结（PMHJ）”塑料。他们发现，通过将两种不一样的塑料材料像千层蛋糕一样进行层层堆叠，可以大幅改善材料的热电性能。每一层的厚度仅有几纳米，而这种独特的结构能够有实际效果的减少热量的传递，却不影响电荷的传输。最终，这样一种材料的热电性能得到了大幅度的提高，使得塑料材料媲美商用无机热电材料的性能。

  这一突破的重点是，科学家们能不用改变塑料的分子结构，而是通过设计材料的微观结构来达到目标。狄重安说：“更重要的是，我们展示了这种多周期异质结聚合物结构与溶液涂层技术的兼容性，满足了大面积塑料热电器件的需求，为低成本的可穿戴热电技术铺平了道路。”

  值得一提的是，慢慢的变多的实验成果在怀柔科学城里诞生。这里汇集了国内顶尖的科研设备和人才，为科学家们提供了一个理想的实验环境。朱道本和狄重安团队取得的创新成果就离不开尖端实验仪器的强大支持。中国科学院化学研究所在怀柔科学城建设的两个重要科学设施平台——分子材料与器件研究测试平台、北京分子科学交叉研究平台，正是此项研究的关键利器。

  研究人员在实验中必须精确控制每一层塑料材料的厚度，确保纳米级的堆叠结构具有最佳性能，任何微小的误差都可能会引起整体性能的下降。平台先进的溶液涂层技术为团队提供了重要的技术上的支持，使他们可以成功攻克科研难关，制造出具有精确厚度的多周期异质结热电薄膜。此外，怀柔科学城的实验设备还帮助研究人员进一步提升了这种材料的可控性。利用飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）等先进的技术，研究人员详细观察了这样一种材料的微观结构，使得每一个“千层”都堆叠得恰到好处，确保操作精准到位。

  通过科学设施平台的技术上的支持，科研团队成功地将新型结构设计理念转化为实际高性能热电材料。研究结果为，这种多周期异质结塑料在热电性能上表现出了前所未有的优势。在近室温区的环境中，这样一种材料的热电优值（ZT）达到了1.28，媲美大多数现有的商用热电材料。

  因兼具柔性和低成本特点，这一新型热电材料在可穿戴能源器件等领域具备极其重大应用前景。未来，智能手表、健康监测设备等电子科技类产品可能只需通过吸收人体的热量便可持续供电，有望将科幻照进现实。

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