来源 | Nature，北大材料学院

链接 | https://www.nature.com/articles/s41586-025-09387-z 

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引言

此前在6月份北京大学物理学院高鹏教授团队利用电子显微镜下的原位振动电子能量损失谱（EELS），对AlN–SiC界面上的声子传输动态行为进行了亚纳米分辨率研究。团队首次实现了纳米尺度温度场和界面热阻测量，阐明了界面模式参与的声子跨界面输运的微观机制。

近日，北京大学材料科学与工程学院雷霆教授团队在热管理领域再发Nature，团队制造了基于橡胶的首个弹性热电发电机，展示了其在人体热能收集中的应用，并展现了驱动可穿戴电子设备和生物传感器的潜力。

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背景介绍

近年来，随着可穿戴电子器件与生物电子器件的快速发展，如何为柔性可穿戴系统提供兼具高效率、可持续性且高适形性的供能解决方案，成为制约该领域发展的重要技术瓶颈之一。热电器件能够将温差转化为电能，被视为实现可穿戴器件自供电系统的理想候选方案之一。此外，热电器件可通过通电实现制冷，对可穿戴制冷具有重要意义。

传统无机热电材料（如Bi2Te3、PbTe等）因其优异的热电性能被广泛应用，但其本征脆性与不可拉伸性，使其难以适配柔性可穿戴设备的动态形变需求。尽管有机热电材料具有较好的柔性，但仍面临拉伸后无法回弹，性能衰减、块体材料模量高无法与皮肤共形接触等问题，难以保证在人体运动场景下的持续稳定发电或制冷。因此，开发兼具高效能量转换、持续供能能力和完美适形性的可穿戴热电系统，已成为热电领域亟待突破的重要挑战。

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成果掠影

近日，北京大学材料科学与工程学院雷霆教授团队开发出兼具高热电优值（ZT值）、高拉伸回弹性、低模量的热电弹性体，即“热电橡胶”材料。突破了热电材料“力-电-热”性能难以兼顾的难题，有望实现人体热能的高效捕获与转化，为可穿戴设备的持续自供能和固态制冷开辟了新路径。该文通过将均匀体相纳米相分离、热激活交联和靶向掺杂整合到单一材料中，制备出首批 n 型热电弹性体之一。该热电弹性体可表现出高达 150% 应变的优异类橡胶恢复性能。即使在机械变形下，其优值（ZT）也可与柔性无机材料相媲美。传统观点认为，在有机热电材料中引入绝缘聚合物会稀释活性成分，导致性能下降。但研究表明，精心选择的弹性体和掺杂剂可促进形成均匀分布、弹性体包裹且高度 n 型掺杂的半导体聚合物纳米纤维，从而提高电导率并降低热导率。这些热电弹性体有望使可穿戴应用中的弹性热电发电机具有更好的共形性和效率。研究成果以“n-Type thermoelectric elastomers”为题发表在《Nature 》期刊。

博士后刘凯（现任青岛科技大学高分子学院教授）和博士生王静怡是该论文的共同第一作者。北京大学为第一完成单位，青岛科技大学为第二完成单位，北京大学材料科学与工程学院雷霆教授是唯一通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、北京市杰出青年基金、北京大学高性能计算平台、北京大学材料加工与测试中心、青岛科技大学橡胶行业创新研发技术中心等的大力支持，该研究成果在Nature正刊发表。

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图文导读

图1. TEE设计策略示意图。

图2. 热电聚合物/弹性体复合材料的形态和力学性能表征。

图3. 掺杂剂的选择和热电性能表征。

图4. 掺杂剂的选择和热电性能表征。

刘凯，博士，青岛科技大学教授、博导，山东省泰山学者青年专家、山东省高等学校青年创新团队带头人、橡胶智能电子交叉研究中心主任。刘凯博士长期从事弹性体功能化改性（高阻尼橡胶、记忆橡胶、自修复橡胶等）及本征可拉伸光、热、电材料与器件制备研究工作，并致力于开拓弹性体聚合物在高性能工程轮胎、轨道交通等传统领域以及在电子皮肤、人机界面、高端医疗器械及废热生电等新兴领域中的应用，取得许多优异成果。以第一/通讯作者发表SCI文章30余篇（总计影响因子>300），多篇被Adv. Mater.和J. Am. Chem. Soc.选为封面文章，申请专利10余项，其中一项获得中国优秀专利称号；担任Chinese Chemical Letters（CCL）和Wearable Electronics杂志青年编委；参加国内外学术会议邀请报告累计15次。

雷霆，北京大学材料科学与工程学院博雅特聘教授，博士生导师。于2008和2013年在北京大学化学与分子工程学院获学士和博士学位；2013-2018年在斯坦福大学化工系从事博士后研究。2018年3月加入北京大学。主要开展了有机高分子半导体材料的设计合成及其在柔性电子和生物电子中的应用研究。在Science、Nature及其子刊等发表通讯作者论文30余篇。申请中国和国际专利13项，已获授权8项。获中国化学会青年化学奖（2023）、北京市杰出青年基金（2022）、中国化学会高分子青年学者奖（2021）和中国化学会“菁青化学新锐奖”（2020）等奖励和资助。