□青岛日报/观海新闻记者  杨琪琪

　　你是否也曾为智能手环、手表频繁充电而烦恼？是否期待着有一天，可穿戴设备材料自身就能将环境中的热量转为电能，实现“自供电”？

　　这一愿景正从梦想走向现实。日前，国际顶级学术期刊《Nature》以“N型热电弹性体”为题，在线发表了青岛科技大学高分子科学与工程学院刘凯教授（第一作者）的最新研究成果。此项突破，不仅引来学界瞩目，更实现了青岛科技大学在国际顶级学术期刊的历史性重大突破。

　　“橡胶”与“热电”跨界融合

　　“我本科及硕士阶段均在青岛科技大学华静教授团队从事‘橡胶功能化改性’研究，而热电材料则是在北京大学博士后期间才开始接触。”回忆起研究初衷，刘凯告诉记者，“当时，我的博士后导师——北京大学雷霆教授给出了这样的建议，能不能把橡胶的优势融入热电传感器研究中？”在刘凯看来，“N型热电弹性体”的研发，是“橡胶”与“热电”两个领域跨界碰撞结出的果实。

　　“人体皮肤与环境始终存在温差——比如冬季皮肤温度约30℃，环境温度约25℃，这5℃的温差就是一座潜在的‘能源库’。”刘凯告诉记者，随着可穿戴电子设备与软生物电子学的飞速发展，“高效灵活的能源解决方案”成为行业亟待破解的关键难题。“热电发电技术，凭借能将温差直接转化为电能的特性，本是理想选择，可长期以来，热电材料的‘短板’让这座‘能源库’难以被利用。”他进一步解释，市面上主流的无机热电材料，虽转化效率较高，但刚性强、无法贴合人体皮肤的弯曲与动态变化；现有的有机热电材料虽具备柔性，却普遍回弹性差、发电效率偏低，难以满足可穿戴设备的实际需求。“我们就想，要是能做出一种像橡胶一样能屈能伸，又兼具发电功能的材料，或许能解决人体废热回收的难题。”

　　带着这一目标，刘凯和团队成员开启了“N型热电弹性体”的研发。这种兼具弹性、伸展性与热电转化能力的创新材料，为可穿戴设备能源采集开辟了新方向。

　　超高的拉伸性能与应变回复能力

　　“研发两年，从投稿到《Nature》发表不到三年，过程看似顺利，实则遇到很多预想外的难题。”刘凯坦言，自课题确立以来，他和团队成员围绕“橡胶与热电聚合物共混”这一核心思路，展开了艰难的技术攻关。

　　“橡胶是绝缘体，热电聚合物是半导体，按照常理，将两者混合热电性能必然会因绝缘体的‘稀释’而下降。”刘凯告诉记者，研究初期，团队面临的最大难题就是如何让两种“性格不合”的材料“和平共处”，甚至实现性能提升。

　　为了找到最佳搭配，团队筛选了7种不同特性的橡胶材料，又搭配了2种热电聚合物，反复测试不同材料组合的兼容性。“光材料选择还不够，比例调控也得精准。”刘凯介绍，他们设计了1：9、3：7、5：5等多种共混比例，每一种比例都要经过“热电性能测试+机械柔韧性测试”双重考核。“我们的目标很明确：先保证热电性能不降低，再谈柔韧性提升。”

　　经过无数次调试，团队创新性提出了均匀纳米相分离、热激活交联和定向掺杂三种协同策略——这一关键突破，让新材料展现出卓越性能：拉伸应变高达850%，且150%拉伸应变下回复率达90%以上，该性能超越了大部分的传统橡胶。

　　更令人惊喜的是，团队还发现了一个“反常规”现象：传统热电材料拉伸后性能会下降，而他们研发的柔性热电橡胶，越拉伸热电性能反而越高。“这是因为拉伸时，材料内部的分子链会像细线一样整齐排列，电子传输更顺畅，效率自然就提高了。”刘凯解释，为了优化这种“拉伸增强”效果，团队还加入小分子掺杂剂，通过调控材料内部形貌，进一步提升电荷传输效率。在室温（300K）条件下，N型热电弹性体的热电优值（ZT值）可达0.49，这一数值已接近甚至超越当前柔性或塑性无机热电材料的性能水平。

　　研发“类皮肤发电机”，拓展废热应用新场景

　　研发出性能出色的柔性热电橡胶材料后，团队并未停下脚步。“材料只是基础，要真正实现人体废热发电，还得有能用的设备。”刘凯介绍，团队基于柔性热电橡胶，进一步研发出“类皮肤热电发电机”，展示了其在人体热能收集中的应用，并展现出驱动可穿戴电子设备和生物传感器的潜力。

　　据悉，与无机热电器件不同，弹性热电发电机无需复杂的互连结构，能够直接与皮肤表面适配，同时保持较高的填充因子和较低的热阻，使得该器件能够兼具高效的热电转换效率和优异的舒适性、形状适应性，为柔性电子学和可穿戴设备的能源采集技术提供了崭新的解决方案。“传统热电发电机多为平面结构，电极与热电材料处于同一平面，使用时必须折叠，才能让一个电极接触皮肤、一个电极接触空气。可一折叠，材料就容易损坏，而且贴合度差，发电效率也会大幅降低。”刘凯告诉记者，团队研发的“类皮肤热电发电机”，采用创新的垂直型结构——在柔性热电橡胶的上下表面直接设置电极，使用时无需折叠，像贴膏药一样往皮肤上一贴即可。“上面的电极接触空气，下面的电极接触皮肤，只要有温差就能稳定发电。”这种设计，不仅大幅提升了发电效率，还让设备的实用性显著增强。

　　“不过，目前这项技术仍处于研究初期阶段。”刘凯坦言，“材料性能的稳定性、规模化制备等关键问题仍需突破，距离大规模应用还有一段距离。”他透露，未来团队将进一步优化材料的热电效率，对标无机热电材料的性能指标，提升热电优值。同时，强化材料稳定性，避免其在空气中发生氧化降解。在研发成本方面，探索成本优化路径，以降低量产成本。就材料的应用前景而言，刘凯认为，这种“N型热电弹性体”有望在两个领域实现产业化落地：一方面，可集成到智能手环、健康监测贴片等可穿戴设备中，为其持续供电；另一方面，与太阳能电池板配套，采集光伏组件产生的废热进行能量回收，为新能源利用开辟更多可能。