未來，粘貼在手臂上的薄膜或許可以將人體代謝熱轉(zhuǎn)化為電能，為心率監(jiān)測器續(xù)航；工廠管道外的柔性貼片能讓廢熱流回電網(wǎng)；更前沿的“電子皮膚”既能回收深海探測器的摩擦熱，又能為航天服供電。
劉凱在手套箱內(nèi)制備熱電彈性體材料。受訪者供圖
“成了！”當點開郵件看到《自然》雜志編輯部發(fā)來研究成果“正式發(fā)表”的通知，青島科技大學高分子科學與工程學院教授劉凱長舒一口氣，指尖在鍵盤上懸停良久。
這一幕發(fā)生在不久前。今年34歲的劉凱，經(jīng)過3年集中攻關，開發(fā)出首個N型熱電彈性體，讓橡膠從工業(yè)密封件、輪胎等傳統(tǒng)材料“配角”，一躍成為可以為可穿戴電子設備、智能軟體機器人供能的“關鍵角色”，為百年橡膠工業(yè)史樹立了一塊“會發(fā)電”的里程碑。
決心跨越百年科學天塹
“這篇論文的撰寫用了3年，背后更有著近10年的蓄力。”提及剛剛發(fā)表的這篇論文，劉凱感慨道。
2011年，劉凱考入青島科技大學，4年的本科學習讓他對高分子材料與工程橡膠方向產(chǎn)生了濃厚興趣，并留校繼續(xù)讀研。
在華靜教授的指導下，劉凱開始接觸橡膠功能化改性。從彈性體分子結(jié)構調(diào)控到功能添加劑篩選，再到性能評價體系的構建，他不斷探索著橡膠材料的性能邊界。孜孜不斷的研究，讓劉凱摸清了橡膠分子鏈的“脾氣”。
2018年，劉凱進入中國科學院化學研究所攻讀博士學位，致力于通過彈性體與光電材料的協(xié)同設計，突破傳統(tǒng)剛性器件的局限。為復現(xiàn)可拉伸晶體管技術，他度過了365個“16小時工作日”，最終摸清了柔性電子的“命門”。憑借這種堅持與毅力，劉凱在攻讀博士學位期間作為第一作者發(fā)表SCI文章15篇，為他后續(xù)相關研究工作的開展奠定了堅實基礎。
在高端彈性體材料領域，曾有一道橫亙在研究者眼前百年的科學天塹——彈性體無法同時實現(xiàn)高拉伸回彈與熱電性能。
2022年，劉凱與博士后合作導師雷霆教授交談時，雷霆感嘆，“當前的柔性電子器件缺少能拉伸的與之配套的電源”。瞬間，“為柔性電子器件加上能拉伸的電源”這個想法，如電光石火般擊中了劉凱——本碩階段的橡膠研究與博士階段的半導體研究經(jīng)驗，突然有了交匯點。
一直以來，劉凱堅持“認知就是用來被打破的”這一科研信條。正是這種信條，讓劉凱立志在新材料領域首創(chuàng)熱電彈性體，目的是補足國內(nèi)在高端彈性體材料領域的技術短板。
反復配比讓“魚與熊掌兼得”
熱電彈性體，簡單來說是一種兼具彈性、伸展性和熱電轉(zhuǎn)換能力的創(chuàng)新材料。“傳統(tǒng)橡膠如同一根普通橡皮筋，能拉彈，卻守著‘絕緣體’的本分；聚合物半導體有發(fā)電潛力，卻脆得像玻璃。”劉凱介紹，“我們要做的，就是在傳統(tǒng)橡膠上編織會導電的‘智能絲線’，使其拉得越長，電通路越堅韌。”
“編織”工作聽上去簡單，做起來卻絕非易事。
基于自身在不同領域的研究經(jīng)驗，劉凱在實驗中發(fā)現(xiàn)，彈性體的拉伸回彈性與其熱電性能并非絕對互斥。使二者共存的關鍵，在于構建“體相納米相分離共混形貌”和“拉伸—回彈交聯(lián)網(wǎng)絡”。這可以使材料在拉伸形變后仍能維持有效的電荷傳輸路徑。
發(fā)現(xiàn)這一點后，劉凱反復將彈性體、共軛聚合物與摻雜劑按不同的比例進行混合，反復開展實驗測量材料拉伸后的熱電性能。“一開始的實驗并不順利，實驗結(jié)果最令人泄氣時，材料拉伸到原有長度的20%，其熱電性能就會斷崖式下跌。”回憶起那段潛心攻關的日子，劉凱說，他每天測試幾十種混合比例，經(jīng)常工作到天亮。
功夫不負有心人，在無數(shù)個不眠之夜后，他終于迎來了重大突破——在熱電聚合物加入彈性體后，“高電導—低熱導”這一本征矛盾被打破，材料的電導率得以提高，熱導率得以降低，熱電性能得到明顯增強。同時，當樣品被拉伸至原始長度的150%時，他們所制備的熱電彈性體的熱電功率因子非但未下降，反而顯著提升。
在雷霆的建議下，更驚人的突破接踵而至。當劉凱在實驗材料中加入少量交聯(lián)劑后，材料像被施加了“魔法”：其極限拉伸率沖破800%，是傳統(tǒng)橡膠的4倍以上，且在150%應變下回彈率高達90%。
“我們的研究直接解決了柔性電子器件中材料因拉伸導致性能衰減的核心痛點，讓‘魚與熊掌可以兼得’。”劉凱解釋說。
未來重在適配實際需求
在青島科技大學高分子科學與工程學院的走廊里，一塊塊展板講述著橡膠技術發(fā)展史。從天然橡膠的發(fā)現(xiàn)到合成橡膠的誕生，再到如今的熱電彈性體，百年光陰在橡膠材料的發(fā)展中流淌。
“過去對橡膠進行的研究，大多聚焦其作為工業(yè)材料在輪胎、密封件及其他產(chǎn)品中的應用。現(xiàn)在，我們要讓它走進可穿戴電子設備、廢熱回收、柔性機器人等新興領域，變身‘高端功能化智能材料’。”劉凱告訴記者，熱電彈性體憑借出色的柔軟性與拉伸性能，能夠緊密貼合人體皮膚，有效收集熱能，同時降低接觸電阻對熱電轉(zhuǎn)化效率的影響。此外，其無需復雜互連結(jié)構的特性，使得它與皮膚表面能夠直接適配，成為柔性電子器件的理想能源采集方案。
如今，劉凱繼續(xù)進行橡膠與光電、熱電等新興技術的交叉融合研究。在他看來，這些研究最大的挑戰(zhàn)，并非突破單一技術難點，而是如何在動態(tài)調(diào)整中保持研究方向的聚焦。
“比如，從彈性體功能化到可拉伸電子器件研發(fā)，再到熱電彈性體的跨領域延伸，從材料基礎創(chuàng)新到功能器件開發(fā)，再到能源集成應用，相關領域研究的每一次深化與延伸都需要平衡創(chuàng)新與延續(xù)之間的關聯(lián)。”劉凱告訴記者。
研究成果登上《自然》，對于劉凱來說不是終點，而是新的起點。在他實驗室懸掛的研究計劃表上，“電子皮膚”的多功能集成、產(chǎn)業(yè)化中試線建設已排上日程。
“目前業(yè)界開發(fā)的熱電彈性體，大多功能較為單一。但在實際應用中，我們需要材料同時具備多維度的性能。”劉凱介紹，如何通過分子設計或結(jié)構調(diào)控實現(xiàn)“功能耦合”，針對光電皮膚、熱電皮膚、生物傳感器等具體場景，使彈性體的功能化改性進一步適配實際需求，是團隊下一步的研究方向。
“或許用不了多久，智能手表真能和充電線說再見。”劉凱介紹，未來，粘貼在手臂上的薄膜或許可以將人體代謝熱轉(zhuǎn)化為電能，為心率監(jiān)測器續(xù)航；工廠管道外的柔性貼片能讓廢熱流回電網(wǎng)；更前沿的“電子皮膚”既能回收深海探測器的摩擦熱，又能為航天服供電。
說話間，他拿起一塊能發(fā)電的“智能橡皮筋”。拉伸時，它溫順如綢；回彈時，它蓄力如弓。劉凱笑著說：“科研就像橡膠，既要守得住韌性，又要敢于拉伸邊界。”
一路走來，在劉凱的學術地圖上，每一步都顯露出橡膠般的韌性、延展性，在他的研究規(guī)劃里，未來的橡膠正不斷擺脫自身局限，奔向更遼闊的世界。
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