清晨，你戴著智能手表晨跑，汗水滴落，但手表電量滿格——奇怪，昨晚明明忘了充電呀！別慌，不是你穿越到了平行宇宙，而是你的手表“穿”了一件神奇的外衣：它能用你的體溫給自己發電！

夏天太熱？往胳膊上貼一片薄如蟬翼的貼片，瞬間涼感來襲！

這些聽起來像科幻片的情節，正在加速變成現實。近日，中國科學院化學研究所朱道本院士和狄重安研究員團隊在國際頂級期刊《科學》上發表文章：團隊研制出一種“千瘡百孔”的塑料薄膜，不僅柔軟得像保鮮膜，還能把熱量變成電！更“牛”的是，它的核心性能指標突破1.64，創下了柔性熱電材料在同溫區的新世界紀錄。

熱量變電能，塑料是“魔法師”

先來聊聊啥叫“熱電材料”。簡單說，它就是一個“能量魔術師”：能把熱量直接變成電，反過來通電還能制冷。聽起來是不是有點玄乎？其實原理很簡單。

想象一下，冬天你捧著一杯熱奶茶，手暖了，奶茶涼了——這就是熱量在流動。熱電材料的神奇之處就在於，它能利用這種流動發電！這種現象叫“塞貝克效應”。反過來，給這種材料通上電，它就會一頭變熱一頭變冷，這叫“帕爾貼效應”。利用這兩種效應，熱電器件既能當發電機，又能當小空調，而且整個過程悄無聲息，沒有污染還不用加燃料，堪稱綠色能源界的“掃地僧”。

這很重要嗎？是的！因為，全球每年有超過60%的能源變成了“廢熱”。所謂“廢熱”，就是手機發燙、電腦散熱、汽車排氣管冒煙時白白流失的那些熱量。如果能把這些熱量回收利用，就可以額外提供很多電。

所以科學家們一直在思考：如何做出一種又軟又薄、可以貼在人體或任何曲面上的“柔性熱電材料”，能悄無聲息地將人身上散發的熱量變成電能。這樣，當你坐著發呆時，它在給你發電﹔你跑步出汗，它更是忙得熱火朝天。

但問題來了，這種材料要同時滿足兩個相互矛盾的要求：一方面要像晶體一樣讓電流暢通無阻（高電導率），另一方面又要像玻璃一樣不讓熱量輕易流走（低熱導率）。科學家稱其為“聲子玻璃—電子晶體”模型。說白了，就是要讓電子“飆車”，讓攜帶熱量的微觀粒子的聲子“迷路”。這聽起來就像是要求一扇門既隔音又透氣，是不是有點矛盾？

塑料居然能像金屬一樣導電

說到塑料，大家腦海裡可能浮現的是電線皮、塑料袋和飲料瓶。但你肯定想不到，塑料曾經是“絕緣體”的代名詞。直到20世紀70年代，美國物理學家艾倫·黑格、化學家艾倫·馬克迪爾米德和日本化學家白川英樹發現了一個顛覆性的現象：給一種叫聚乙炔的塑料加點“料”（碘摻雜），它居然能像金屬一樣導電！這一發現不僅徹底打破了“塑料不可導電”的傳統認知，還開啟了一個全新的研究領域——導電聚合物。三位科學家也因此共同獲得2000年諾貝爾化學獎。

聚合物熱電材料有什麼優勢？首先，它天生柔軟，可以隨意彎折﹔其次，它能像噴漆一樣大面積噴涂，成本極低。相比之下，傳統的無機熱電材料（如碲化鉍等），雖然性能優異，但質地堅硬且價格昂貴，難以貼合於皮膚表面。

不過，這種材料也有它的“軟肋”——性能表現不佳。要知道，衡量熱電材料好不好的關鍵指標是“熱電優值”，簡稱zT值。這個值越高，材料的發電效率就越高。材料界的高手們能把無機柔性材料的zT值做到1.0到1.4，而聚合物卻長期徘徊在0.5以下。2024年，朱道本和狄重安團隊將聚合物的zT值提升到1.28，取得了重要進展，但還是低於無機材料的性能水平。

為什麼聚合物提升性能這麼難？前面說過，熱電材料面臨一個“魚和熊掌”的困境：想要電導率高，就得讓分子排列得整整齊齊﹔想要熱導率低，就得讓結構像迷宮般錯綜復雜。可問題是，分子一整齊，熱量也跟著跑得快﹔結構一混亂，電子又寸步難行。這就是科學界所謂的“電—熱輸運的耦合限制”。

衣服、水瓶等可化身微型電站

那麼，科學家是怎麼攻克這個世紀難題的呢？說來也簡單，團隊想出了一個操作：既然有序和無序各有各的好處，那咱們就來個“混搭”：在無序中創造有序，讓兩者各司其職、互不打擾。

具體來說，科學家創造了一種“多孔無序—狹道有序”的雙重結構。想象一下，海綿表面上全是大小不一、亂七八糟的孔洞，但你仔細觀察孔洞之間的“牆壁”，裡面的分子卻排列得整整齊齊。這就好比在崎嶇不平的山區修了幾條筆直的高速公路，熱量被那些孔洞阻擋，來回打轉，傳輸緩慢﹔而電子卻能在整齊的“高速公路”上一路狂飆。

怎麼造出這種結構呢？科學家採用了“聚合物相分離”的方法。你見過把油倒進水裡的情景嗎？它們會自動分開，互不相溶。科學家把兩種不同的高分子材料——PDPPSe-12（聚合物半導體）和PS（普通塑料），溶解在一起，讓它們慢慢揮發溶劑。結果呢？這兩種材料也“鬧分家”，被特定溶劑沖洗后，形成了無數微小的孔洞，尺寸從5.9納米到1.8微米不等，形狀各異、分布無序。但只要控制好比例和條件，科學家就能精准調控孔洞的大小和分布。

更有意思的是，在這個“分家”的過程中，導電聚合物被擠在狹小的空間裡，反而排起了整齊的隊伍，就像地鐵站高峰期，人群擠在狹窄通道裡會自動形成一條隊列。科學家把這種現象稱為“限域效應”。

效果咋樣？超乎預期！

研究團隊制備的這種不規則多級孔熱電塑料薄膜，通過協同調控多種聲子散射機制，即雜亂無章的孔洞表面不斷散射聲子，不同尺寸的狹縫像篩子一樣篩選不同波長的聲子、無序的狹縫分布還增強了聲子之間的相互碰撞，致使熱導率下降72%！與此同時，限域效應使載流子遷移率提升了52%。最終，在約70℃溫度下，材料的zT值一舉突破1.64！

這是聚合物熱電材料歷史上首次跨越1.5的門檻，甚至超過同溫區的柔性無機材料。

更讓人興奮的是，這種結構與工業上成熟的噴涂技術完美兼容。此前，該團隊制備的高性能柔性熱電材料需要復雜的工藝，往往要重復上百次才能制成﹔而通過這項技術，制備材料就像噴漆一樣簡單，能夠一次成型，從而大幅降低了制備成本，為大面積應用鋪平道路。

那麼，這項技術能用在哪？最直接的場景就是可穿戴設備的自供電。人體和環境通常有5℃~10℃的溫差——夠用了！當未來衣服的面料裡織入這種材料，你就是行走的充電寶！

物聯網時代，成千上萬的傳感器部署在各個角落，換電池非常麻煩，而只要有溫差，熱電材料就能給它們源源不斷地供電。同時，由於這種材料具有本征柔性，它可以貼附在很多曲面表層，無論是彎曲的管道還是人體的關節部位，都能完美貼合，大大拓展了應用場景。

從更宏觀的角度看，這項研究不僅是一項技術突破，更是對軟物質材料熱電轉換規律的深刻認知。長期以來，科學界普遍認為，在弱相互作用主導的有機材料中，很難實現電—熱輸運的協同調控。而該項研究用實驗証明，通過精巧的微觀結構設計，完全可以突破這一限制，將聚合物熱電材料推向實用化。

研究團隊還建立了系統的研究方案，為后續研究者提供了清晰的路線圖。

當然，從實驗室成果到大規模商業化應用，還有一段路要走。例如，需要進一步提高材料的穩定性、優化集成工藝、探索更低成本的原材料等。但這項研究已經為我們描繪了一個令人神往的未來：在那個世界裡，我們身邊的塑料制品，如礦泉水瓶、包裝袋、衣物纖維等，都可能成為一個微型發電站﹔曾經被忽視的廢棄熱量，將成為取之不盡、用之不竭的綠色能源，無處不在、觸手可及。（作者：鄒業，系中國科學院化學研究所研究員）