高性能聚合物熱電材料研究取得新進(jìn)展。記者25日從中國科學(xué)院化學(xué)研究所獲悉，來自該所等單位的科研人員研發(fā)出新型高性能聚合物熱電材料——PMHJ薄膜。相對(duì)于普通聚合物薄膜，PMHJ薄膜有望大幅提升材料的熱電性能，為高性能塑料基熱電材料研究提供了全新思路。相關(guān)研究成果在線發(fā)表于《自然》雜志。
碳元素可以與氫、氧、氮、磷、硫等元素形成化學(xué)鍵，從而構(gòu)建出各種有機(jī)分子，這些分子單體通過周期性的鍵合可以形成高分子量的聚合物。目前，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)域不可缺少的材料。
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)聚合物薄膜兩端的溫度出現(xiàn)高低差時(shí)，材料兩端就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)（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。
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(dòng)，也就是讓聲子‘寸步難行’而讓電荷‘暢通無阻’。”科研人員解釋，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。而實(shí)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。
此次，科研人員利用兩種不同的聚合物，研發(fā)出具有不同結(jié)構(gòu)特征的PMHJ薄膜。該薄膜不但可以保證有效的電荷傳輸，同時(shí)可以高效散射聲子與類聲子傳播。
在業(yè)內(nèi)專家看來，這項(xiàng)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)發(fā)展提供了新路徑。
