“梯度界面尺寸分布”破解材料导电导热兼容难题
热电“分道扬镳”进入成果转化
在微温差发电、芯片精确降温、无电池物联网等领域应用潜力大
来源：解放日报
作者：俞陶然
日期：2026-08-23
本报记者 俞陶然
在微电子与新能源领域，有一条“鱼与熊掌不可兼得”的铁律：如果一种材料导电快，它的导热往往也很快。这就造成热量迅速从元件的高温端传向低温端，温差被抹平，发电随之衰减。正因存在这条铁律，全球超过60%的低品位废热白白耗散。
能否让热量走得慢、电流跑得快？近日，上海交通大学胡志宇教授团队联合清华大学、香港城市大学等单位团队，在国际权威期刊《科学进展》上发表了一项创新成果。他们通过全新的“梯度界面尺寸分布”设计，打破了传统微纳材料的结构对称性，让热量和电子“分道扬镳”，创下超低导热率与超高发电功率的行业纪录。
过去，科学家为了阻挡热量，通常采用规则、重复的“超晶格”层状结构来反弹负责传热的声子。这种方法有一个致命缺陷：规则的结构就像排列整齐的栅栏，虽然能挡住特定波长的声子，但也拦截了电子，导致材料的导电性能大幅下滑。
对此，胡志宇团队提出了“统计界面工程”的材料设计新范式。他们以经典热电材料——碲化铋和贵金属铂为模型，设计出一种厚度不均匀的梯度层状结构。
这种“刻意制造的混乱”带来了奇迹：不同波长的声子进入这个厚度不均匀的“纳米迷宫”后，热量被锁在“局域”无法传递。导热率骤降的同时，这种厚度不均匀的梯度层状结构为电子铺设了“高速路”。因为电子的波长极短，纳米级的不均匀不仅没有阻碍它，反而在梯度界面处形成了特殊的二维聚集通道，使电子获得了极高的迁移率。
《科学进展》刊发的论文还展示了这一研究成果的应用潜力：基于该技术制备的柔性薄膜器件，在经历1000次弯曲后，性能几乎零衰减。把它戴在手腕上时，仅靠人体体温与空气的微小温差，就能产生稳定的电压。未来，智能手环、智能皮肤、心脏起搏器等植入式医疗器械如果采用这种柔性薄膜器件，有望彻底告别定期充电的烦恼。如果把“梯度界面尺寸分布”设计应用于垂直固态器件，在通电状态下，它能展现出强大的固态制冷能力，这为下一代高性能计算机芯片、光电探测器的精确定点降温提供了无噪音解决方案。
胡志宇表示，热电材料“梯度界面尺寸分布”已进入成果转化阶段，不久的将来，一种全天候“能量自治”的绿色、无电池物联网将实现产业化，为我国实现碳达峰碳中和目标贡献力量。
