新分子“派”出大本事
π(pi)，讀音“派”，是一個神奇的希臘字母。我們知道它，是從圓周率開始的。對于化學(xué)家而言，π更多地是指一種化學(xué)鍵。在π鍵中，不同原子的電子云以“肩并肩”的方式排列重疊，原本束縛在某一個原子周圍的電子，能夠在形成化學(xué)鍵的2個原子間移動。
在科學(xué)家們眼里，大π鍵能“派”出的大本事！
更令化學(xué)家驚奇的是，在一些有機分子中，電子能夠在多個原子間自由“奔跑”，帶有這類π鍵的分子被稱為π-共軛分子。
如今，這類分子已成為化學(xué)研究中最耀眼的明星之一。如何高效設(shè)計和合成π-共軛分子、如何精準(zhǔn)調(diào)控其組裝結(jié)構(gòu)和電子行為，則是這一領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)性的基礎(chǔ)科學(xué)問題。
2014年起，中國科學(xué)院啟動戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類）“功能pi(π)-體系的分子工程”（以下簡稱“先導(dǎo)專項”）。
在先導(dǎo)專項支持的5年工作里，由中國科學(xué)院院士朱道本、萬立駿擔(dān)任首席科學(xué)家，來自中國科學(xué)院化學(xué)研究所、長春應(yīng)用化學(xué)研究所、上海有機化學(xué)研究所以及微電子研究所等多家單位的科研人員通力合作，產(chǎn)生一批原創(chuàng)性的具有世界領(lǐng)先水平的創(chuàng)新成果。
科學(xué)家們在國際知名學(xué)術(shù)期刊發(fā)表1183篇論文，申請169項發(fā)明專利，其中64項已獲授權(quán)，專項目標(biāo)和技術(shù)指標(biāo)全面超額完成。
在化學(xué)所為該先導(dǎo)專項組織的國際評估中，參與評估的國際同行專家對項目取得的成績作出極高評價：“這個項目取得了巨大成功，超過了最初的目標(biāo)，發(fā)展了令人興奮的材料和器件研究的完整平臺。”
同時，基于專項的科學(xué)研究成果，科學(xué)家們還發(fā)展出具有自主產(chǎn)權(quán)的柔性器件制備與集成技術(shù)，有力推動我國在這一戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)上發(fā)展，為有機電子工業(yè)顛覆未來生活做好了科學(xué)與技術(shù)的準(zhǔn)備。
從今天起，《中國科學(xué)報》將盤點該項目支持下，科學(xué)家在6個不同領(lǐng)域取得的成果。
有機熱電材料：未來綠色能源的新翹楚
熱電效應(yīng)是一種基本的并且普遍存在的能量轉(zhuǎn)換現(xiàn)象。基于這一效應(yīng)，利用溫差發(fā)電以及在電場驅(qū)動下制冷都能實現(xiàn)。
以π-共軛分子材料為代表的有機熱電材料具備優(yōu)異的溶液加工性、柔韌性和低熱導(dǎo)率，展現(xiàn)突出的熱電性能。
中國學(xué)者在這一領(lǐng)域發(fā)揮引領(lǐng)性作用。1986年，來自中科院化學(xué)所與德國馬普所的科研人員通力合作，發(fā)現(xiàn)BEDT-TTF單晶在不同溫度下可以展現(xiàn)截然相反的熱電勢，這意味著，有機體系具有成為良好熱電材料的潛力。
20多年后，有機熱電材料的基礎(chǔ)研究才逐漸步入繁榮發(fā)展期。
在先導(dǎo)專項支持下，科研團隊發(fā)展了一系列高性能材料體系，制備了新功能有機熱電器件。
中國科學(xué)院院士朱道本介紹，科學(xué)家們在該領(lǐng)域的突出工作包括：
首先，獲得了刷新熱電性質(zhì)新紀(jì)錄的熱電材料。研究人員用電化學(xué)的方法，制備一種配位聚合物，克服了結(jié)構(gòu)無序性對提高熱電性能的阻礙，大幅提高了材料的導(dǎo)電率，體現(xiàn)熱電性能的熱電優(yōu)值（ZT值）達(dá)到0.3，這是n型分子熱電材料的最高值。
第二，發(fā)展了一種快速尋找新熱電材料的方法。研究人員提出了高遷移率半導(dǎo)體的場調(diào)控?zé)犭娦阅苄路椒?，加快尋找有前景的有機熱電材料。這種新方法為理性設(shè)計有機熱電材料奠定了基礎(chǔ)。
第三，制備了一批基于熱電材料的新器件。
例如，首次利用微結(jié)構(gòu)有機熱電材料制備了自供電溫度-壓力雙參數(shù)傳感器，率先構(gòu)建熱懸浮有機熱電器件并實現(xiàn)電致制冷……這些器件的成功制備展示了有機熱電材料在自供電健康監(jiān)測和超薄固態(tài)制冷方面的廣闊應(yīng)用前景。
國際評估專家指出，在有機電子學(xué)常常局限于場效應(yīng)晶體管、發(fā)光二極管和太陽能電池等“常規(guī)的可能應(yīng)用”時，化學(xué)所在有機熱電材料領(lǐng)域的工作突破了這些局限。
“我們課題組的年輕科研人員經(jīng)常在一起暢想有機熱電材料的未來，一個有趣的場景令人印象深刻?！敝斓辣菊f，“外出野營時，帶上一把有機熱電材料做的燒水壺，就不用受手機沒電之苦了——水壺上連一根充電線，燒水的熱能轉(zhuǎn)換成電能，水熱了，也給手機充了電。”
研究人員認(rèn)為，熱能來源廣泛、成本低，熱電材料有望能在解決能源危機、環(huán)境問題等全人類面臨的重大挑戰(zhàn)中發(fā)揮重要作用。
圖1：有機熱電材料的帕爾貼效應(yīng)溫度分布
圖2：可用作自供電壓力-溫度雙參數(shù)傳感的有機熱電集成器件照片。
