中新網(wǎng)北京7月25日電 (記者 孫自法)塑料能發(fā)電嗎？如何發(fā)電？這一材料科學(xué)前沿和最具挑戰(zhàn)方向之一的問題，長期以來備受關(guān)注。中國科學(xué)家最新研究提出并構(gòu)建了聚合物多周期異質(zhì)結(jié)(PMHJ)熱電材料，有望大幅提升材料的熱電性能，從而為利用塑料實現(xiàn)高效溫差發(fā)電提供了全新思路。

　　這項打破現(xiàn)有高性能聚合物熱電材料不依賴熱輸運調(diào)控的認(rèn)知局限、為塑料基熱電材料領(lǐng)域的持續(xù)提升提供新路徑的重要材料研究進(jìn)展，由中國科學(xué)院化學(xué)研究所朱道本院士和狄重安研究員團隊、北京航空航天大學(xué)趙立東教授團隊以及中外另7個團隊合作完成，北京時間7月24日夜間，相關(guān)成果論文在國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然》上線發(fā)表。

　　為何研究

　　研究團隊介紹說，導(dǎo)電聚合物不但具有和傳統(tǒng)塑料類似的柔性、易加工性和低成本等特點，還可以通過分子設(shè)計和化學(xué)摻雜攜帶電荷，從而表現(xiàn)出導(dǎo)電性。更神奇的是，很多導(dǎo)電聚合物可作為熱電材料，即當(dāng)在聚合物薄膜上施加溫度差時，材料兩端就會產(chǎn)生電動勢(塞貝克效應(yīng))；而當(dāng)在材料兩端構(gòu)建導(dǎo)電回路并施加電壓時，導(dǎo)電塑料薄膜的兩端也會產(chǎn)生溫度差(帕爾貼效應(yīng))。

　　基于這些現(xiàn)象，人們可以利用輕質(zhì)與柔軟的塑料來實現(xiàn)溫差發(fā)電，發(fā)展貼附式和可穿戴的綠色能源；也有望將其編織成塑料纖維，變成可以控制溫度的服裝。不過，這些功能的實現(xiàn)都需要發(fā)展高性能的聚合物熱電材料。

　　有何難點

　　研究團隊指出，高性能熱電材料應(yīng)具備高塞貝克系數(shù)、高電導(dǎo)率和低熱導(dǎo)率，而理想的模型就是“聲子玻璃-電子晶體”模型。具體來說，材料需要像玻璃一樣阻擋熱量(聲子)傳導(dǎo)，但又像晶體一樣允許電荷自由移動，也就是讓聲子“寸步難行”而讓電荷“暢通無阻”。

　　科學(xué)界普遍認(rèn)為，聚合物具有“聲子玻璃”特征，從而具有本征低熱導(dǎo)率。但實際上，很多高電導(dǎo)聚合物薄膜具有有序分子排列的結(jié)晶區(qū)，和理想的“聲子玻璃”有很大差異，直接制約了聚合物熱電性能的提高。

　　在過去十余年中，科學(xué)家利用分子創(chuàng)制、組裝和摻雜調(diào)控聚合物薄膜的塞貝克系數(shù)、電導(dǎo)率及其制約關(guān)系，但其熱電優(yōu)值遠(yuǎn)低于商品化熱電材料的性能，這一困境直接制約了塑料基熱電材料領(lǐng)域的發(fā)展。

　　如何突破

　　為破解熱電材料的性能困境制約，合作團隊研究提出并構(gòu)建了新型的PMHJ熱電材料，具體而言，就是利用兩種不同的聚合物構(gòu)建周期有序的納米結(jié)構(gòu)，其中每種聚合物的厚度均小于10納米，兩種材料的界面約為2個分子層的厚度，并且界面層內(nèi)部呈現(xiàn)體相混合的特征。

　　這一納米限域的結(jié)構(gòu)不但可以保證有效的電荷傳輸，同時可以高效散射聲子與類聲子傳播。也就是說，PMHJ薄膜相對普通聚合物薄膜更接近“聲子玻璃-電子晶體”模型，有望大幅提升材料的熱電性能，從而為高性能塑料基熱電材料的研究提供全新思路。

　　在中外科學(xué)家之前研發(fā)出兩種聚合物、交聯(lián)劑等相關(guān)成果基礎(chǔ)上，研究團隊構(gòu)筑具有不同結(jié)構(gòu)特征的PMHJ薄膜。進(jìn)一步通過系統(tǒng)實驗及與理論合作研究，研究團隊揭示出其熱導(dǎo)率的尺寸效應(yīng)和界面漫反射效應(yīng)，并推動達(dá)到商品化材料的室溫區(qū)熱電性能水平，直接帶動塑料基熱電材料步入新的時代。此外，PMHJ結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的普適性，其加工方式與溶液法制備技術(shù)兼容，在柔性供能器件方面具有重要應(yīng)用潛力。

　　研究團隊展望說，以PMHJ熱電材料研究取得重要進(jìn)展為契機，人們對未來“用體溫為手機充電，讓篝火成為野營的電力之源……”等美好愿景，也許在不久后就會成為現(xiàn)實：通過熱電塑料和溫差的“邂逅”，能夠產(chǎn)生各種“觸手可及”的清潔能源，實現(xiàn)所有相關(guān)的奇思妙想。(完)