當你為智能手表頻繁充電而煩惱，期待柔性電子設備貼身服務卻擔憂能量續航時，一項來自北京大學的科研成果帶來了突破——材料科學與工程學院雷霆教授團隊研發出全球首個兼具柔韌與高效發電能力的“熱電橡膠”材料。這項突破直指可穿戴設備持續供能這一世界性難題，為智能手表、健康監測器件等設備裝上自給自足的“心臟”鋪平了道路。相關成果日前發表于國際學術期刊《自然》。
長久以來，科學家們一直在尋找能為柔性可穿戴設備高效供能的理想方案。雷霆告訴記者，熱電器件能將無處不在的溫差轉化為電能，還能通過通電實現制冷，看似完美，卻深陷“剛柔難調”的瓶頸。傳統無機熱電材料性能雖優，卻如同玻璃般脆硬，難以適應人體運動時的彎曲拉伸;而有機材料雖有較好的柔韌性，但常常在拉伸后無法回彈、性能衰減，且模量偏高，難以與皮膚完美貼合。“因此，一直以來，高效能量轉換、持續穩定供能與完美適形性，這三大目標如同難以逾越的高峰，成為制約可穿戴技術發展的關鍵瓶頸。”
面對這一挑戰，研究團隊以三項創新科研策略，突破了材料“力—電—熱”性能難以協同優化的世界級難題。他們首先利用漢森溶解度參數精心篩選，讓剛性的半導體高分子與柔性橡膠在微觀層面均勻融合，形成遍布材料內部的納米纖維網絡，這既奠定了橡膠柔韌的骨架，又為電流鋪設了高效穿梭的通道。
“緊接著，我們創新性引入偶氮類交聯劑，如同為材料植入了強大的‘記憶基因’。經此處理，材料獲得了驚人的延展性，可拉伸超過原長的850%，且在經歷高達150%的拉伸后，能像記憶海綿般恢復90%以上的原狀，足以媲美天然橡膠。最后，我們巧妙篩選特殊摻雜劑作為‘性能催化劑’，精準作用于半導體納米纖維，大幅提升了摻雜效率。更神奇的是，這種材料在拉伸時電導率不降反升，為柔性應用帶來了意想不到的優勢。”論文共同第一作者劉凱介紹，這三項策略合力催生的“熱電橡膠”，不僅柔韌超群，其核心的熱電轉換效率更實現了質的飛躍——室溫下的熱電優值達到了令人矚目的0.49，這一性能接近甚至超越現有的柔性和塑性無機材料。
“其奧秘在于精妙的材料設計：均勻分布的納米結構顯著提升了電荷遷移率，而柔性橡膠對共軛高分子的包裹則有效降低了材料整體的熱導率，從而在高效發電的同時也阻隔了熱量流失，實現了力、電、熱性能的完美平衡。”劉凱說。
基于這一創新性核心材料，研究團隊更進一步，構建出全球首個彈性熱電模塊，成功實現了人體熱能收集與穩定供電。“它采用一體化設計，徹底摒棄了傳統剛性熱電器件復雜的互連結構，使其能與皮膚表面實現無縫的自適應貼合，如同超薄柔韌的‘創可貼’。這種結構設計還能高效捕獲人體體溫與環境間的微小溫差，并將其穩定轉化為電能。這不僅為智能手表等可穿戴電子設備提供了可持續的能源，更在穿戴舒適度和動態形變適應性上實現了前所未有的突破。”論文共同第一作者王靜怡說。
“如今看來，科幻片中自供電的智能服裝已不再是天馬行空的想象。”雷霆說，這一中國原創的“熱電橡膠”，不僅標志著材料科學的重大突破，將可穿戴能量采集技術推向了“高效—高適形”協同發展的新階段，更如同一把鑰匙，為高效利用我們身邊永不枯竭的綠色能源寶庫——人體熱能打開了大門。
責任編輯：陸迪
