新分子“派”出大本事
π(pi)，讀音“派”，是一個(gè)神奇的希臘字母。我們知道它，是從圓周率開始的。對(duì)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(gè)原子周圍的電子，能夠在形成化學(xué)鍵的2個(gè)原子間移動(dòng)。
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(jī)分子中，電子能夠在多個(gè)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(jì)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(wèn)題。
2014年起，中國(guó)科學(xué)院?jiǎn)?dòng)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）“功能pi(π)-體系的分子工程”（以下簡(jiǎn)稱“先導(dǎo)專項(xiàng)”）。
在先導(dǎo)專項(xiàng)支持的5年工作里，由中國(guó)科學(xué)院院士朱道本、萬(wàn)立駿擔(dān)任首席科學(xué)家，來(lái)自中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所、長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所、上海有機(jī)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?cè)趪?guó)際知名學(xué)術(shù)期刊發(fā)表1183篇論文，申請(qǐng)169項(xiàng)發(fā)明專利，其中64項(xiàng)已獲授權(quán)，專項(xiàng)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(xiàng)組織的國(guó)際評(píng)估中，參與評(píng)估的國(guó)際同行專家對(duì)項(xiàng)目取得的成績(jī)作出極高評(píng)價(jià)：“這個(gè)項(xiàng)目取得了巨大成功，超過(guò)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(tái)?！?
同時(shí)，基于專項(xiàng)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(dòng)我國(guó)在這一戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)上發(fā)展，為有機(jī)電子工業(yè)顛覆未來(lái)生活做好了科學(xué)與技術(shù)的準(zhǔn)備。
從今天起，《中國(guó)科學(xué)報(bào)》將盤點(diǎn)該項(xiàng)目支持下，科學(xué)家在6個(gè)不同領(lǐng)域取得的成果。
有機(jī)熱電材料：未來(lái)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(chǎng)驅(qū)動(dòng)下制冷都能實(shí)現(xiàn)。
以π-共軛分子材料為代表的有機(jī)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(guó)學(xué)者在這一領(lǐng)域發(fā)揮引領(lǐng)性作用。1986年，來(lái)自中科院化學(xué)所與德國(guó)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(shì)，這意味著，有機(jī)體系具有成為良好熱電材料的潛力。
20多年后，有機(jī)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(xiàng)支持下，科研團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一系列高性能材料體系，制備了新功能有機(jī)熱電器件。
中國(guó)科學(xué)院院士朱道本介紹，科學(xué)家們?cè)谠擃I(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(wú)序性對(duì)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(chǎng)調(diào)控?zé)犭娦阅苄路椒?，加快尋找有前景的有機(jī)熱電材料。這種新方法為理性設(shè)計(jì)有機(jī)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(jī)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(jī)熱電器件并實(shí)現(xiàn)電致制冷……這些器件的成功制備展示了有機(jī)熱電材料在自供電健康監(jiān)測(cè)和超薄固態(tài)制冷方面的廣闊應(yīng)用前景。
國(guó)際評(píng)估專家指出，在有機(jī)電子學(xué)常常局限于場(chǎng)效應(yīng)晶體管、發(fā)光二極管和太陽(yáng)能電池等“常規(guī)的可能應(yīng)用”時(shí)，化學(xué)所在有機(jī)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(jī)熱電材料的未來(lái)，一個(gè)有趣的場(chǎng)景令人印象深刻?！敝斓辣菊f(shuō)，“外出野營(yíng)時(shí)，帶上一把有機(jī)熱電材料做的燒水壺，就不用受手機(jī)沒(méi)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(jī)充了電。”
研究人員認(rèn)為，熱能來(lái)源廣泛、成本低，熱電材料有望能在解決能源危機(jī)、環(huán)境問(wèn)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(jī)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(jī)熱電集成器件照片。
