中国科学家研制高性能热电聚合物薄膜 柔性发电材料创新突破有望赋能可穿戴设备

问题:可穿戴电子与物联网传感器迅速普及,但续航与充电频次仍是影响用户体验和应用部署的突出痛点;尤其健康监测贴片、智能手表、远程传感节点等场景中,频繁换电或充电不仅增加维护成本,也会影响设备的长期稳定运行。利用人体热量或环境温差实现持续供能,被视为解决微型设备低功耗、长续航的重要路径,而热电材料正是将热能直接转化为电能的关键载体。 原因:传统无机热电材料性能成熟,但在柔性、轻量化以及贴合曲面上受限。相比之下,聚合物热电材料柔软可弯折,可溶液加工,适合印刷制备,更符合可穿戴和大面积器件需求。不过,聚合物热电长期面临核心矛盾:提升电荷输运往往会同时提高热传导,难以兼顾“电更易走、热更难走”。这种“电—热耦合”瓶颈制约了材料性能提升,也是国际研究中的关键难题。 影响:针对这个瓶颈,研究提出新策略——材料内部同时构建“无序孔洞”和“有序通道”的结构体系。团队研制的新型热电聚合物薄膜具有纳米到微米尺度、形状与分布不规则的多级孔结构,可有效抑制热量传递;同时,材料中形成的有序分子通道有利于电荷快速输运,从而实现电与热传输的“解耦”并协同优化。研究显示,该结构使热导率显著降低(降幅达72%),并推动核心性能指标在同温区达到柔性热电材料的新纪录。对应的成果发表于《科学》,显示我国在柔性热电材料结构设计与性能提升上取得重要进展。 对策:从工程化角度看,这项研究不仅验证了结构思路,也兼顾了可扩展的制备路径。薄膜结构可通过“聚合物相分离”等方法构建,并与喷涂等工艺兼容,为后续大面积柔性器件制造提供了基础。面向应用落地,业内普遍关注三方面:其一,更评估材料在汗液、弯折、拉伸等使用条件下的稳定性与寿命;其二,完善器件级封装与热管理设计,提高在实际温差条件下的输出效率;其三,推动与低功耗电路、储能单元的系统集成,形成可量产、可验证的示范产品和应用场景。 前景:在“双碳”目标与绿色低碳转型背景下,回收分布广、品位低的废热,是提升能效的重要方向。柔性聚合物热电材料若能在性能、可靠性与成本之间取得平衡,有望在可穿戴健康监测、医疗康复、智能家居、工业设备状态监测、城市基础设施传感网络等领域拓展应用,减少对频繁充电与更换电池的依赖。更长远看,热电技术与柔性电子、印刷电子的融合,可能催生“材料即能源界面”的新形态:贴片、薄膜、织物等载体在不增加体积与重量的前提下,实现微能量的持续采集与利用。

从实验室创新走向产业应用,新型热电材料的商业化仍要面对稳定性验证与规模化生产等挑战;但这项研究揭示的思路——在微观无序中构建宏观有序——不仅为材料设计提供了新的方向,也提示我们对绿色能源的利用正在转变:与其额外获取能源,不如更高效地利用环境中被忽视的能量。当废热被转化为可用电能,人与能量的关系也将被技术进步重新塑造。