基于熱電效應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)因其獨(dú)特的熱—電直接轉(zhuǎn)化特性，在能量采集、柔性電子傳感、生物醫(yī)療設(shè)備以及固態(tài)制冷等領(lǐng)域展現(xiàn)出革命性應(yīng)用前景，已成為應(yīng)對(duì)能源危機(jī)與可持續(xù)發(fā)展挑戰(zhàn)的重要研究方向。當(dāng)前主流熱電發(fā)電裝置受限于剛性材料體系，難以滿足柔性場(chǎng)景中動(dòng)態(tài)形變（如彎曲、扭曲及拉伸）的協(xié)同適配需求，嚴(yán)重制約了其實(shí)際應(yīng)用與發(fā)展。近年來，室溫液態(tài)金屬作為新興功能材料在熱電研究領(lǐng)域備受關(guān)注，特別是以鎵基合金為代表的液態(tài)金屬，不僅具備本征熱電特性，更兼具流體流動(dòng)性、高導(dǎo)電/熱能力以及動(dòng)態(tài)自修復(fù)特性。液態(tài)金屬獨(dú)特的材料屬性有望為開發(fā)新一代柔性熱電系統(tǒng)提供新路徑。

近日，中國(guó)科學(xué)院理化所劉靜研究員團(tuán)隊(duì)發(fā)表綜述文章，系統(tǒng)梳理了液態(tài)金屬與熱電效應(yīng)前沿交叉領(lǐng)域的最新進(jìn)展，并評(píng)述了液態(tài)金屬熱電器件在可穿戴柔性電子、生物醫(yī)學(xué)以及能源回收領(lǐng)域的應(yīng)用前景。早在2012年，劉靜小組就開啟了對(duì)液態(tài)金屬中的熱電效應(yīng)的研究（Printable Tiny Thermocouple by Liquid Metal Gallium and Its Matching Metal, Appl. Phys. Lett. 2012, 101, 073511），首次報(bào)道了在液態(tài)金屬液-液、液-固界面上發(fā)現(xiàn)的熱電效應(yīng)，并基于這一現(xiàn)象構(gòu)建了柔性熱電偶器件，以后又將其推進(jìn)到可印刷式液態(tài)金屬熱電發(fā)生器上（中國(guó)科學(xué)E輯, 44, 407, 2014）。近年來，隨著國(guó)際上更多團(tuán)隊(duì)的涌入，液態(tài)金屬熱電效應(yīng)研究與應(yīng)用逐步引起重視。在此篇文章中，作者們首先對(duì)液態(tài)金屬在互連電路、導(dǎo)熱材料、熱電支腿等方面的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)；然后，深入解讀了液態(tài)金屬及其匹配材料之間獨(dú)特的液-液、液-固界面熱電效應(yīng)；接著，探討了基于液態(tài)金屬印刷半導(dǎo)體技術(shù)構(gòu)建熱電材料的工藝路線；最后，論述了液態(tài)金屬與熱電效應(yīng)前沿交叉領(lǐng)域未來可能遇到的挑戰(zhàn)，展望了亟待研究的方向。該綜述文章以“Liquid Metal Enabled Thermoelectric Effects: Fundamental and Application”為題發(fā)表在國(guó)際期刊《Advanced Functional Materials》上。中國(guó)科學(xué)院理化所碩士生關(guān)堂鎮(zhèn)和清華大學(xué)博士后高建業(yè)為本文共同第一作者，劉靜研究員和高建業(yè)博士為共同通訊。

【液態(tài)金屬與熱電效應(yīng)交叉領(lǐng)域研究趨勢(shì)】

近年來，液態(tài)金屬在熱電效應(yīng)研究領(lǐng)域快速興起，研究熱度持續(xù)上升。液態(tài)金屬卓越的多面手性能使其能夠克服傳統(tǒng)剛性熱電材料在機(jī)械變形條件下的性能損失，極大拓展了熱電器件的應(yīng)用空間。

圖1. 基于液態(tài)金屬的熱電效應(yīng)研究趨勢(shì)

圖2. 液態(tài)金屬在熱電效應(yīng)領(lǐng)域中的應(yīng)用及其優(yōu)勢(shì)

【液態(tài)金屬用作柔性互連電路】

通過液態(tài)金屬制備的柔性互連電路可以有效降低器件界面電阻、提升柔性和拉伸性。如劉靜團(tuán)隊(duì)在2014年首次將鎵和康銅集成為柔性熱電發(fā)電機(jī)的互連材料，構(gòu)建出一個(gè)微型熱電發(fā)電堆，在160 °C溫差下實(shí)現(xiàn)了約100 mV的輸出電壓，顯示了良好的柔性性能。后續(xù)不少研究進(jìn)一步驗(yàn)證了液態(tài)金屬作為互連電路的高可靠性和自修復(fù)性能，即使在大幅彎曲、拉伸下依然能保持穩(wěn)定的電性能。

圖3. 液態(tài)金屬用作互連電路

【液態(tài)金屬用作導(dǎo)熱增益材料】

在柔性熱電器件中，封裝材料的熱導(dǎo)率至關(guān)重要。液態(tài)金屬?gòu)?fù)合彈性體可顯著提高封裝層的熱導(dǎo)性能，有效降低器件內(nèi)熱阻，從而提升器件的整體效率。研究表明，加入液態(tài)金屬后，彈性體的熱導(dǎo)率最高可提高近5倍。通過進(jìn)一步加入石墨烯納米片或銅顆粒，封裝層的熱導(dǎo)率可進(jìn)一步增強(qiáng)，有效提升器件的能量轉(zhuǎn)化效率。結(jié)合3D打印技術(shù)，可基本實(shí)現(xiàn)柔性熱電器件的自動(dòng)化制造。

圖4. 熱電器件的高度自動(dòng)化制造

【液態(tài)金屬摻雜制備高性能熱電腿材料】

傳統(tǒng)的熱電材料（如Sb2Se3）具有高塞貝克系數(shù)，但導(dǎo)電性較低。通過摻入液態(tài)金屬GaSn合金，可以有效提高Sb2Se3熱電材料的導(dǎo)電性，并顯著提升功率因子。此外，該復(fù)合材料還具有獨(dú)特的自修復(fù)能力，多次切割與重合愈合后，仍能保持其優(yōu)異的熱電性能，展示了未來自修復(fù)柔性熱電材料的可能性。

圖5. 液態(tài)金屬與Sb2Se3的復(fù)合物制造具有自愈特性的熱電支腿

【液態(tài)金屬液-液、液-固界面的特殊熱電效應(yīng)】

不同液態(tài)金屬之間以及液態(tài)金屬與固體金屬之間存在獨(dú)特的液-液、液-固界面熱電現(xiàn)象，劉靜小組在2012年首次揭示了這種特殊的現(xiàn)象，并制造出多種類型的液態(tài)金屬熱電器件。之后，2024年Vernet等人（PNAS 121, e2320704121）對(duì)鎵和汞之間的熱電效應(yīng)再次進(jìn)行了深入研究，在外加磁場(chǎng)的作用下，發(fā)現(xiàn)了冷端和熱端附近出現(xiàn)了高電流密度的電回路，這與流體熱邊界層附近劇烈的溫度梯度變化高度相關(guān)。

圖6. 液態(tài)金屬熱電效應(yīng)研究

【液態(tài)金屬熱電器件的應(yīng)用】

液態(tài)金屬熱電器件以其優(yōu)異的柔性、導(dǎo)熱性和自修復(fù)性能，在可穿戴健康監(jiān)測(cè)、熱管理、余熱回收、太陽(yáng)能熱電轉(zhuǎn)換、自驅(qū)動(dòng)液態(tài)金屬傳熱系統(tǒng)及自主式熱能收集軟機(jī)器人等領(lǐng)域表現(xiàn)出卓越的應(yīng)用前景。相關(guān)研究實(shí)現(xiàn)了可長(zhǎng)時(shí)間、穩(wěn)定監(jiān)測(cè)人體健康指標(biāo)，并主動(dòng)調(diào)節(jié)穿戴設(shè)備溫度的柔性器件，開發(fā)出高效余熱回收及太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)。液態(tài)金屬的熱電效應(yīng)電流在磁場(chǎng)作用下可產(chǎn)生洛倫茲力，為電子設(shè)備、核聚變反應(yīng)堆冷卻提供了嶄新思路。此外，基于液態(tài)金屬熱電發(fā)電機(jī)與軟體機(jī)器人的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了可自主追逐熱源并收集熱能的軟機(jī)器人，對(duì)于無系繩軟體機(jī)器人的發(fā)展有著重要意義。

圖7. 液態(tài)金屬熱電設(shè)備在余熱回收、太陽(yáng)能熱電轉(zhuǎn)換、自驅(qū)動(dòng)液態(tài)金屬傳熱系統(tǒng)及自主式熱能收集軟機(jī)器人等領(lǐng)域的應(yīng)用

【挑戰(zhàn)與未來展望】

液態(tài)金屬在柔性熱電領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用前景，但仍面臨長(zhǎng)期穩(wěn)定性、界面可靠性與制造工藝優(yōu)化等重要挑戰(zhàn)。首先，目前柔性熱電器件長(zhǎng)期使用中材料易出現(xiàn)疲勞損傷，影響性能穩(wěn)定性，尤其液態(tài)金屬與基底界面的粘合穩(wěn)定性及封裝泄漏問題亟待優(yōu)化。未來可通過研發(fā)高韌性、抗疲勞、自修復(fù)復(fù)合材料，提高器件長(zhǎng)期可靠性。此外，液態(tài)金屬在納米尺度制備時(shí)可實(shí)現(xiàn)更加穩(wěn)定的形貌，避免宏觀液態(tài)金屬可能產(chǎn)生的泄漏風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，開發(fā)液態(tài)金屬與高塞貝克系數(shù)、低電導(dǎo)率的熱電材料復(fù)合摻雜技術(shù)，有望實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)電性、高塞貝克系數(shù)與優(yōu)異柔性的統(tǒng)一。此外，研究液態(tài)金屬特有的液—液界面熱電效應(yīng)與特殊相變現(xiàn)象，揭示溫度梯度不均勻分布及界面高電流密度產(chǎn)生機(jī)制，將有助于進(jìn)一步提高液態(tài)金屬熱電器件的性能。最后，液態(tài)金屬的自動(dòng)化3D打印工藝在實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制造柔性熱電器件方面極具潛力，未來可實(shí)現(xiàn)柔性熱電材料與半導(dǎo)體元件（如ITO）結(jié)合的全自動(dòng)、規(guī)?；圃欤瑸橐簯B(tài)金屬熱電技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化奠定基礎(chǔ)。

圖8. 基于液態(tài)金屬的熱電效應(yīng)的未來研究方向及挑戰(zhàn)

文獻(xiàn)來源：
T. Guan, J. Gao*, C. Hua, Y. Tao, Y. Ma, J. Liu*, Liquid Metal Enabled Thermoelectric Effects: Fundamental and Application. Adv. Funct. Mater., 2025, 2423909.
https://doi.org/10.1002/adfm.202423909
來源：高分子科學(xué)前沿
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