问题——可穿戴设备续航与便携制冷需求日益突出,但关键材料长期受限。随着智能手表、健康监测贴片等设备普及,充电频次高、使用场景受限成为痛点;,局部温控医疗康复、户外作业、防护服装等领域需求增长。热电材料能够在温差存在时直接发电,也可在通电时实现制冷或加热,具备“发电—制冷”一体化优势,且无需压缩机,噪声小、潜在环境负担低,被视为实现可穿戴自供电和静音温控的重要技术路线。然而,要把热电材料真正“穿在身上”,就必须实现柔性、轻薄、可规模化加工的材料形态,这恰恰是过去的难点。 原因——聚合物热电材料面临电与热输运“此消彼长”的结构性矛盾。相较无机热电材料,聚合物更柔软、更适合贴合皮肤与织物,但其性能提升长期受到两类要求难以兼顾的制约:一上,提高电导率需要导电分子链更有序、利于电荷快速传输;另一方面,提升热电效率又要求降低热导率,需要结构更无序以增强对声子(热量载体)的散射。通俗地说,想让“电走得快”往往要更整齐,想让“热走得慢”又要更杂乱,二者同一材料中难以同时实现,导致聚合物热电性能提升缓慢,限制了其在可穿戴场景中的落地。 影响——多级孔结构实现电热输运协同优化,为柔性热电材料打开新空间。中国科学院化学研究所朱道本院士、狄重安研究员团队提出新的结构设计思路:通过两种聚合物的相分离构筑“多级孔”网络,让孔洞与狭窄缝隙在材料内部形成分工明确的微结构——孔洞用于增加热传输路径的曲折程度,增强对热量传递的抑制;缝隙区域则促使导电组分更趋有序,形成相对连续的电荷传输通道。研究显示,该薄膜在显著降低热导率的同时提升电导率,实现电—热输运“解耦式”优化:热导率下降幅度达72%,导电能力提升52%。在343开尔文(约70摄氏度)条件下,其热电优值最高达到1.64,体现出在同温区对柔性无机热电材料的性能超越。该成果已在线发表于国际期刊《科学》,为柔性热电聚合物突破传统瓶颈提供了可验证的材料与结构路径。 对策——以可制造性为牵引,推动从实验指标走向工程应用。该研究除性能指标外,还强调工艺适配性:薄膜可采用喷涂等方式成形,意味着材料有望更便捷地覆盖不同形状、不同基底表面,为穿戴织物、曲面器件、复杂结构部件提供加工可能。面向应用端,下一步关键在于:其一,围绕人体温差的小温差工况开展系统工程设计,包括器件结构、热管理与功率管理,提高能量转化的有效输出;其二,推动材料在柔性封装、耐汗液/耐弯折、长期稳定性与生物相容性诸上的综合评估,满足可穿戴设备的安全与寿命要求;其三,打通与传感器、通信模组、低功耗芯片的系统集成,形成从材料到终端的完整技术链;其四,围绕喷涂等工艺建立一致性与规模化生产标准,降低成本并提升质量可控性。 前景——体温供能、贴片温控与废热回收或形成多场景协同落地。业内普遍认为,热电技术的价值不仅在“充电替代”,更在“随处可用的微能量管理”。在可穿戴领域,依托人体与环境的温差,手表、健康监测贴片等有望在特定场景实现更低维护甚至准连续供能;在温控领域,利用热电效应实现的贴片式制冷/加热可用于局部降温、热疗与舒适性管理,推动“冬暖夏凉”的智能服装与个体化温控装备发展;在工业领域,若将薄膜应用于管道、发动机等表面,可对分散的低品位废热进行回收,形成节能减排的补充技术。总体看,这类柔性热电材料的突破为柔性电子学、生物医学传感与绿色能源利用提供了新的关键部件选择,也为我国在有关前沿交叉领域的持续创新增添了技术筹码。
当科幻电影中的"人体充电"场景逐渐照进现实,这项突破不仅代表着材料科学的进步,更预示着人机交互方式的根本变革;在碳中和目标引领下,柔性热电技术的突破恰逢其时,它既为解决微型电子设备供能难题提供中国方案,也为全球绿色能源革命带来了新动能。随着后续研究的深入,这项"让科技回归人体本源"的创新,或将重新定义未来智慧生活的能源范式。