在智能手表、健康监测贴片等可穿戴设备日益普及的今天，频繁充电的困扰始终如影随形。若能借助体温与环境温差实现发电，这些设备将有望摆脱电源束缚，实现“永不断电”的愿景。近日，一项突破性研究为这一目标带来了关键进展——科研团队成功研制出一种具有不规则多级孔结构的塑料热电薄膜，其核心性能指标热电优值达到1.64，刷新了柔性热电材料在同温区的性能纪录。
热电材料被誉为“能量魔术师”，其独特之处在于能够直接将热能与电能相互转换。全球每年超过60%的能源以废热形式散失，若能有效回收利用，将产生巨大的节能减排效益。柔性热电材料因兼具柔韧性与可弯折性，可贴附于人体、衣物等曲面，在无声无息中将周围废热转化为电能，成为物联网传感器、可穿戴发电设备等领域的理想材料。然而，理想的柔性热电材料需同时满足高电导率与低热导率，这一矛盾特性长期制约着其发展。
传统聚合物热电材料因性能瓶颈，热电优值长期徘徊在0.5以下，远低于国际报道的高性能柔性无机热电材料（1.0-1.4）。2024年，研究团队曾将聚合物热电材料的热电优值提升至1.28，但仍未突破柔性无机材料的性能上限，成为制约其实用化的关键难题。此次突破源于团队提出的“无序-有序”协同调控理念：通过构建“多孔无序-狭道有序”的双重结构，在材料中同时实现热量传递的阻碍与电子传输的畅通。
从微观结构看，这种材料如同布满孔洞的海绵，孔径从5.9纳米到1.8微米不等，形状各异且分布无序；而纳米级孔隙则像精密模具，引导聚合物分子排列成高度有序的通道。这种设计巧妙地利用了物理特性：无序孔洞迫使热量“翻山越岭”，大幅降低热导率；有序分子通道则保障电子“高速通行”，提升电导率。研究团队通过“聚合物相分离”方法制造该结构——类似油水混合后自然分离的过程，聚合物在狭小空间中被“挤压”形成有序排列，最终实现孔洞无序与分子有序的协同。
制备工艺的简化是另一大亮点。此前，高性能柔性热电材料需重复制备100次才能成型，而新技术兼容喷涂工艺，可像喷漆一样一次完成，为大规模生产铺平道路。实验数据显示，该热电塑料薄膜的热导率降低72%，载流子迁移率提升52%，热电优值达1.64，创造了同类材料的世界纪录。
这项技术的直接应用场景是可穿戴设备的自供电。人体与环境间5-10℃的温差，足以让热电薄膜产生可观电能。更令人期待的是，其与喷涂工艺的兼容性使未来大规模、低成本制造成为可能——想象一下，未来衣物面料中嵌入这种材料，穿在身上即可化身移动电源；物联网时代，数以亿计部署在建筑外墙、野外环境的传感器，无需更换电池，仅凭温差就能持续工作。有机材料的柔性特性更使其可贴附于各种曲面，极大拓展了应用边界。
长期以来，科学界认为在弱相互作用主导的有机材料中，难以实现电-热输运的协同调控。而此次研究突破了这一限制，推动聚合物热电材料迈入实用化阶段，为能源回收与物联网技术发展提供了全新解决方案。
