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研究團(tuán)隊(duì)提出并構(gòu)建了聚合物多周期異質(zhì)結(jié)（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(gè)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，而且可以高效散射聲子與類聲子傳播。

也就是說，PMHJ薄膜相對(duì)普通聚合物薄膜更接近高性能熱電材料的“聲子玻璃—電子晶體”理想模型，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。

據(jù)介紹，具有高塞貝克系數(shù)、高電導(dǎo)率和低熱導(dǎo)率的“聲子玻璃—電子晶體”模型，就是指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(dòng)，也就是讓聲子“寸步難行”而讓電荷“暢通無阻”。雖然，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(shí)際上，很多高電導(dǎo)聚合物薄膜和理想的“聲子玻璃”有很大差異，制約了聚合物熱電性能的提高。在過去十余年中，科學(xué)家們利用分子創(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，但熱電優(yōu)值一直停留在0.5附近，遠(yuǎn)低于商品化無機(jī)熱電材料的性能，制約了塑料基熱電材料的發(fā)展。

研究團(tuán)隊(duì)利用中國科學(xué)院化學(xué)研究所張德清課題組和英國牛津大學(xué)Iain McCulloch課題組發(fā)展的PDPPSe-12和PBTTT兩種聚合物，以及韓國蔚山科學(xué)技術(shù)院BongSoo Kim課題組發(fā)展的交聯(lián)劑，結(jié)合分子交聯(lián)方法，構(gòu)筑了具有不同結(jié)構(gòu)特征的PMHJ薄膜；通過與清華大學(xué)王冬課題組的理論合作研究，他們揭示了熱導(dǎo)率的尺寸效應(yīng)和界面漫反射效應(yīng)。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。

業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，上述研究打破了現(xiàn)有高性能聚合物熱電材料不依賴熱輸運(yùn)調(diào)控的認(rèn)知局限，為塑料基熱電材料領(lǐng)域的持續(xù)突破提供了新路徑。

鏈接

人工合成的聚合物，尤其是塑料，已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ詈透呖萍碱I(lǐng)域無處不在且不可缺少的材料體系。傳統(tǒng)的聚合物為絕緣體，而在上世紀(jì)70年代，美國科學(xué)家艾倫·黑格、艾倫·馬克迪爾米德和日本科學(xué)家白川英樹發(fā)現(xiàn)碘摻雜的聚乙炔具備導(dǎo)電能力，徹底顛覆了“塑料不能導(dǎo)電”的傳統(tǒng)認(rèn)知，獲得2000年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。這一重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)不但掀起了導(dǎo)電聚合物和其它光電分子材料的研究熱潮，還催生了有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）等電子產(chǎn)業(yè)，讓光彩奪目的顯示屏走進(jìn)了日常生活。

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(diǎn)，還可以通過分子設(shè)計(jì)和化學(xué)摻雜攜帶電荷，從而表現(xiàn)出導(dǎo)電性。更為神奇的是，很多導(dǎo)電聚合物可以作為熱電材料。也就是說，當(dāng)在聚合物薄膜上施加溫度差時(shí)，材料兩端就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)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(shí)，導(dǎo)電塑料薄膜的兩端也會(huì)產(chǎn)生溫度差（帕爾貼效應(yīng)）?；谶@些現(xiàn)象，人們就可以利用輕質(zhì)與柔軟的塑料來實(shí)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。這些功能的實(shí)現(xiàn)都需要發(fā)展高性能的聚合物熱電材料，該領(lǐng)域的研究成為材料科學(xué)的前沿和最具挑戰(zhàn)的方向之一。