新型熱點材料PMHJ助力可穿戴設備和物聯網發展

想象一下，如果你的智能手表、運動手環甚至手機不再需要外接電源頻繁充電，而是通過吸收你身體散發的熱量來自行供電，會是一種什么體驗？

近日，中國科學院化學研究所朱道本、狄重安團隊與多個國內外頂尖科研團隊合作，依托懷柔科學城科學設施平臺的尖端技術支持，提出并成功構建了一種叫做多周期異質結聚合物（PMHJ）的熱電材料，為未來的可穿戴設備和物聯網的發展帶來了新的可能，相關研究成果在線發表于《自然》。

塑料媲美商用無機熱電材料

熱電材料的神奇之處在于能夠將溫差直接轉換為電能。簡單來說，就是可以將人體散發的熱量、工業設備釋放的廢熱等環境中的熱量，轉化為可用的電能，從而減少對外接電源的依賴。

中國科學院化學研究所研究員狄重安介紹，目前，最常用的高效熱電材料大多是由無機材料制成的，雖然它們性能優秀，但柔韌性相對較差，難以應用于可穿戴設備和其他很多需要彎曲、貼附的使用場景。科學家們一直在尋找一種既能有效轉換熱量，又足夠輕便、靈活的材料。而塑料，正是這個夢想的最佳選擇。

要讓塑料實現高效的熱電轉換，是科學界面臨的一項艱難挑戰。塑料，作為一種輕便、廉價且柔性的材料，廣泛應用于日常生活中。但是常規塑料的一個最大問題是，它既不導電，也不導熱。而要實現熱電轉換，材料必須同時具備高導電性和低熱導率，這聽起來像是讓兩件完全相反的事情同時發生。

面對這一難題，朱道本和狄重安團隊與多個國內外頂尖的科研團隊合作，提出了一個絕妙的解決方案——“多周期異質結（PMHJ）”塑料。他們發現，通過將兩種不同類型的塑料材料像千層蛋糕一樣進行層層堆疊，可以大幅改善材料的熱電性能。每一層的厚度僅有幾納米，而這種獨特的結構能夠有效減少熱量的傳遞，卻不影響電荷的傳輸。最終，這種材料的熱電性能得到了大幅提升，使得塑料材料媲美商用無機熱電材料的性能。

這一突破的關鍵在于，科學家們可以不用改變塑料的分子結構，而是通過設計材料的微觀結構來達到目標。狄重安說：“更重要的是，我們展示了這種多周期異質結聚合物結構與溶液涂層技術的兼容性，滿足了大面積塑料熱電器件的需求，為低成本的可穿戴熱電技術鋪平了道路。”

懷柔科學城科技基礎設施發揮重要作用

值得一提的是，越來越多的實驗成果在懷柔科學城里誕生。這里匯集了國內頂尖的科研設備和人才，為科學家們提供了一個理想的實驗環境。朱道本和狄重安團隊取得的創新成果就離不開尖端實驗儀器的強大支持。中國科學院化學研究所在懷柔科學城建設的兩個重要科學設施平臺——分子材料與器件研究測試平臺、北京分子科學交叉研究平臺，正是此項研究的關鍵利器。

研究人員在實驗中必須精確控制每一層塑料材料的厚度，確保納米級的堆疊結構具有最佳性能，任何微小的誤差都可能導致整體性能的下降。平臺先進的溶液涂層技術為團隊提供了重要的技術支持，使他們能夠成功攻克科研難關，制造出具有精確厚度的多周期異質結熱電薄膜。此外，懷柔科學城的實驗設備還幫助研究人員進一步提高了這種材料的可控性。利用飛行時間二次離子質譜（TOF-SIMS）等先進技術，研究人員詳細觀察了這種材料的微觀結構，使得每一個“千層”都堆疊得恰到好處，確保操作精準到位。

通過科學設施平臺的技術支持，科研團隊成功地將新型結構設計理念轉化為實際高性能熱電材料。研究結果顯示，這種多周期異質結塑料在熱電性能上表現出了前所未有的優勢。在近室溫區的環境中，這種材料的熱電優值（ZT）達到了1.28，媲美大多數現有的商用熱電材料。

因兼具柔性和低成本特點，這一新型熱電材料在可穿戴能源器件等領域具有重要應用前景。未來，智能手表、健康監測設備等電子產品可能只需通過吸收人體的熱量便可持續供電，有望將科幻照進現實。