“這相當於給導電聚合物裝上了‘高速公路’，讓電子跑得更順暢。”中國科學院福建物質結構研究所研究員林悅表示。近日，他和團隊在半結晶導電聚合物 PBTTT-C14 中新增不到 1% 的成核劑 PDA，相當於在 1 公斤材料裡撒了不到 10 克的“魔法粉末”。實驗結果令人驚喜：材料結晶度提升 45%，電導率直接翻倍，熱電轉換效率更是提升了四倍多。
圖 | 林悅（來源：林悅）
透過高精度的 X 射線衍射和原子力顯微鏡觀察，他們發現 PDA 分子在材料冷卻過程中會自發排列成整齊的“腳手架”，引導聚合物分子像搭積木一樣有序堆疊。這種微觀結構的最佳化，既減少了電子在晶界處的“堵車”現象，又通過後續的離子摻雜工藝給材料“注入能量”，最終實現了效能的躍升。
透過此，他們成功將“傳統塑膠工業的成核劑技術”與“有機半導體熱電材料的效能提升”緊密結合，提供了一條更為簡潔可行的加工改性路線，為有機電子學和柔性熱電領域開闢了新的思路。
對於相關論文，審稿人認為這是對“熱電聚合物領域的一項卓越貢獻”，並充分認可了他們在提高 PBTTT-C14 這一重要聚合物熱電效能方面所做的努力。審稿人還認為基於“廣泛的物理和電子錶徵揭示了材料結晶度和遷移率的提升”，從而為效能最佳化提供了有力支撐。同時，審稿人對他們“利用在 PBTTT-C14 中新增 PDA 和離子交換方法來顯著提高熱電功率因子”的研究興趣濃厚，這進一步鼓舞該領域在後續的工作中繼續挖掘成核劑與有機熱電材料相結合的更多潛能，也會對其他半結晶聚合物體系進行更深入和廣泛的探索。
在應用前景上：這種輕質、柔軟且耐彎折的聚合物熱電器件有望嵌入到衣物或其他柔性基底中，為監測人體健康、生理訊號或者提供小功率的能量收集與供應。可以想象幾個畫面：登山愛好者的衝鋒衣不僅能保暖，還能透過體溫差為全球定位系統（GPS，Global Positioning System）裝置持續供電；糖尿病患者佩戴的柔性貼片，既能監測血糖又能自供電執行；甚至未來的智慧窗簾，白天收集室內外溫差發電，晚上自動調節透光度。
（來源：Advanced Materials）
將傳統塑膠加工理念與導電聚合物相結合
在柔性電子、可穿戴裝置和可持續能源等新興領域，導電聚合物因其輕、薄、柔的特性，被譽為“會發電的布料”。然而，與傳統無機熱電材料相比，導電聚合物在熱電效能（如功率因子）方面長期處於明顯劣勢，難以在實際應用中取得與無機材料相當的能量轉換效率。
問題的根源在於材料內部的微觀結構與規整度。傳統塑膠製品生產中的關鍵引數——結晶度，直接影響材料的強度和透明度。例如，礦泉水瓶的結晶度越高，瓶身就越硬挺。受此啟發，他們想到：既然塑膠工業能用“成核劑”來調控結晶度，為什麼不能把這個技術遷移到導電聚合物領域呢？
他們試圖透過借鑑塑膠工業對聚合物結晶度的調控方法（例如新增成核劑），提升有機半導體聚合物的結晶度、降低其電阻和晶界散射，從而顯著提高其電導率和熱電轉換效能。
研究的核心目標在於探索一種簡單、高效、可大規模推廣的方法，將傳統塑膠工業行之有效的加工理念與導電聚合物相結合，為柔性電子、可穿戴熱電器件等帶來更優異的效能與更廣泛的應用前景。
“多一克少一克口感完全不同”
據介紹，研究團隊在長期的導電聚合物和熱電材料研究中發現：半結晶高分子在微觀結構最佳化方面仍然存在較大可提升空間，如何提高結晶度是關鍵。同時，團隊注意到塑膠工業在成核劑調控聚合物結晶中已得到較多應用，便萌生了“能否將塑膠工業的成核劑理念遷移到導電聚合物熱電材料？”的想法。
課題組先是篩選了多種成核劑，包括常見的有機分子及其衍生物，進行小批次試驗。藉助差示掃描量熱法（DSC，differential scanning calorimetry）觀察成核過程的溫度視窗，結合顯微結構表徵手段，初步確認了 PDA 能夠有效提升 PBTTT-C14 的結晶度。
在系統實驗與最佳化階段，他們確定了最佳的摻入比例、溶液制膜條件，以及離子交換摻雜與成核劑協同調控的方法。大規模製備對比樣品（包括純聚合物、不同濃度新增的聚合物、引入不同摻雜體系等），並系統測量其電導率、塞貝克係數和熱電功率因子。
透過原子力顯微鏡（AFM，Atomic Force Microscope）、廣角 X 射線散射技術、DSC 等手段，課題組從微觀尺度揭示了 PDA 在冷卻過程中逐步自組裝並誘導聚合物鏈堆疊的過程。同時，他們還分析了晶界電阻、離子摻雜效率等關鍵引數，以闡明晶體有序度與載流子輸運之間的內在聯絡。
日前，相關論文以《透過簡單新增成核劑提高半結晶導電聚合物的熱電效能》（Boosting Thermoelectric Performance of Semicrystalline Conducting Polymers by Simply Adding Nucleating Agent）為題發在 Advanced Materials[1]。
（來源：Advanced Materials）
事實上，“把塑膠成核劑用到半導體聚合物上”的想法源於與塑膠加工企業的交流。在該項研究開展之前，他們去參觀一家塑膠製品企業時，工程師隨口提到：“我們調整成核劑配比就像廚師調鹽，多一克少一克口感完全不同。”這句話突然點醒了他們，既然塑膠加工能透過成核劑精確控制結晶度，導電聚合物為什麼不能借鑑這個思路？
研究團隊非常重視和企業的交流與合作，頻繁與從事高分子改性研究的工程師和企業資深人員進行深入探討。這種工業技術與基礎研究的碰撞，往往能迸發最絢麗的火花。
而在未來：
首先，他們將拓展更多成核劑體系。目前，他們正在搭建一個“成核劑資料庫”，系統研究不同分子結構對各類導電聚合物的調控規律。就像化學家尋找催化劑那樣，他們希望能夠找到某些“明星分子”，以便能夠同時提升多種材料的效能。團隊計劃繼續探索其他型別的成核劑，特別是具有更強相互作用或特殊功能基團的分子，力爭在保持高結晶度的同時，進一步提升電導率、最佳化塞貝克係數，獲得更高的熱電轉換效率。
其次，他們將方法拓展到其他有機半導體體系。PBTTT-C14 只是半結晶有機半導體材料的代表之一，團隊希望把這一思路在更多聚合物中進行驗證，尋找通用化的提升方案。
再次，他們將開展產業化可行性測試。若能進一步簡化製備工藝、提高穩定性、降低成本，團隊希望與企業合作，推動其在可穿戴感測器、柔性發電織物等原型產品中的落地應用，並進行小批次生產與現場測試。
林悅補充稱：“我想分享兩個關鍵詞：敬畏與突破。”要對傳統工業數十年積累的技術智慧保持敬畏，很多看似普通的工藝背後，可能都蘊含著深刻的科學原理。就像這次他們借鑑的成核劑技術，在塑膠行業已經應用了半個世紀。很多在傳統工業中行之有效的經驗，可能在前沿材料與器件中依舊大有可為。跨領域的溝通與交叉融合，往往能激發更多新思路和新奇蹟。
同時，要對行業趨勢有著良好判斷。隨著柔性電子與可穿戴技術的日益發展，輕便、可彎折且兼具高效能的熱電材料需求量將不斷增加。本研究所展示的成核劑方法是一個極具潛力的方向，林悅表示希望更多科研團隊或企業能加入到這個領域，共同推進技術成熟與商業化落地。
參考資料：
1.Chen Chen, Yue Lin* et al., Boosting Thermoelectric Performance of Semicrystalline Conducting Polymers by Simply Adding Nucleating Agent,Advanced Materials, 2025. DOI: 10.1002/adma.202417594
排版：希幔