Китайские исследователи совершили революционный прорыв в области материаловедения, создав новую гибкую термоэлектрическую пленку, которая кардинально меняет перспективы носимой электроники и утилизации бросового тепла.
Команда под руководством академика Чжу Даобэня и исследователя Ди Чжунана из Института химии Китайской академии наук разработала материал, чья эффективность преобразования энергии превосходит все ранее известные аналоги в своем классе.
Термоэлектрические материалы способны напрямую превращать разницу температур в электричество (эффект Зеебека) или использовать ток для охлаждения (эффект Пельтье).
Идеальный материал должен обладать парадоксальными свойствами: быть отличным проводником электричества (как кристалл), но плохим проводником тепла (как стекло). Эта концепция известна как модель «фононное стекло - электронный кристалл».
Долгое время гибкие полимерные материалы не могли достичь этого баланса. Их ключевой показатель эффективности - термоэлектрическая добротность (zT) ( обычно оставался ниже 0,5, что значительно уступало жестким неорганическим аналогам и делало их непригодными для широкого практического применения.
Даже предыдущий рекорд команды (1,28 в 2024 году) был недостаточен для массового внедрения.
Чтобы преодолеть этот барьер, ученые предложили стратегию «создания порядка в беспорядке». Они разработали уникальную структуру с нерегулярными многоуровневыми порами (IHP-TEP).
Материал напоминает губку, пронизанную хаотичными порами размером от нанометров до микрометров. Этот беспорядок эффективно рассеивает фононы (кванты тепловых колебаний), снижая теплопроводность на 72% (до 0,16 Вт·м⁻¹·К⁻¹). Тепло просто не может быстро проходить через материал.
В то же время, внутри этих нанопор полимерные молекулы вынуждены упаковываться в строго упорядоченные цепочки из-за эффекта пространственного ограничения. Это создает «скоростные шоссе» для электронов, повышая их подвижность на 52%.
Таким образом, ученым удалось развязать взаимосвязь между теплопроводностью и электропроводностью, достигнув синергии, ранее считавшейся невозможной для полимеров.
Испытания показали ошеломляющие результаты:
При температуре около 70°C термоэлектрическая добротность (zT) нового материала достигла 1,64.
Это первый случай в истории, когда полимерный материал преодолел практический порог zT > 1,5.
Новый показатель не только побил собственный предыдущий рекорд Китая (1,28), но и превзошел лучшие гибкие неорганические материалы в том же температурном диапазоне, установив новый мировой рекорд для гибких термоэлектриков.
Помимо выдающихся физических свойств, новая технология отличается высокой коммерческой жизнеспособностью:
Простота производства:
В отличие от сложных многоступенчатых процессов создания предыдущих материалов, новый метод использует фазовое разделение полимеров и совместим с технологией распыления. Пленку можно наносить как краску или печатать как газету, что позволяет создавать большие площади недорого и быстро.
Реальные сценарии использования:
Благодаря гибкости и высокой эффективности, материал открывает путь к созданию устройств, работающих от тепла человеческого тела (разница температур всего в 5–10°C).
Носимая электроника:
Умные часы и фитнес-трекеры, которые никогда не нужно заряжать, так как они питаются от тепла кожи владельца.
Медицина:
Автономные датчики мониторинга здоровья, встроенные в одежду или пластыри.
Охлаждение:
Тонкие наклейки для персонального кондиционирования в жаркую погоду.
Интернет вещей (IoT):
Датчики, размещенные на любых криволинейных поверхностях, получающие энергию из окружающей среды.
Этот прорыв означает переход полимерных термоэлектрических материалов из лаборатории в реальную жизнь. Он не только решает фундаментальную научную задачу, но и предоставляет четкую дорожную карту для будущего, где пластиковые изделия могут стать мини-электростанциями, превращая повсеместно теряемое бросовое тепло в ценную зеленую энергию.
#Энергия #Китай
