近日，合肥光源用户中国科学院化学研究所朱道本院士/狄重安研究员团队在柔性热电器件研究领域取得重大突破。研究团队创新性地结合合肥光源软X射线成像线站（BL07W）和共振软X射线散射（金华）线站（BL05U-B），通过成像与散射的多模态表征技术，成功揭示了不规则多级孔结构聚合物薄膜的跨尺度微观结构，为开发创纪录高性能柔性热电器件提供了关键的结构信息支撑。相关研究成果以“Irregular hierarchical-porous polymer for high-performance soft thermoelectrics”为题，于2026年3月6日发表在《科学》（Science）上。
柔性热电器件能够将人体热量转化为电能，在可穿戴电子设备领域具有广阔前景。然而，传统聚合物热电材料性能难以满足实际需求，其核心挑战在于如何同时降低热导率并提高电导率，这二者在常规材料中往往相互制约。针对这一难题，研究团队提出了一种创新的“不规则多级孔”设计策略，通过精细调控的相分离方法，在聚合物中构建了尺寸从几纳米到几微米、形状与分布均呈不规则特征的孔洞结构，成功构建了不规则多级孔热电聚合物（IHP-TEP）材料，如图1所示。这种独特的跨尺度多孔结构能够有效散射热量传播（声子），同时提升了材料的结晶度和电荷输运能力，最终实现了高达1.64的热电优值（zT），刷新了柔性聚合物热电材料性能的世界纪录。
图1. IHP-TEP结构的设计思想
在这一突破性研究中，合肥光源的两条软X射线线站通过成像与散射的联用，发挥了不可替代的多模态表征优势：共振软X射线散射线站（BL05U-B）为解析多级孔结构的统计信息提供了核心手段。研究团队利用该线站在240 eV的光子能量下对聚合物共混薄膜进行了共振软X射线散射（RSoXS）表征。实验结果显示，PDPPSe-12与聚苯乙烯（PS）共混薄膜呈现出极宽的相分离尺寸分布，范围从5 nm到560 nm，并在约20 nm、230 nm和450 nm出现三个特征峰，如图2所示。这一结果从统计平均意义上直接证实了不规则多级孔结构在从纳米到微米尺度的跨层级分布，为理解其多尺度声子散射机制提供了关键的定量依据。软X射线成像线站（BL07W）的纳米计算机断层成像（nano-CT）技术则为三维孔洞网络的可视化提供了直观证据。研究团队通过nano-CT技术对不同聚合物配比下的多级孔薄膜进行了高分辨三维重构，直观地展示了孔洞尺寸、孔隙率以及孔喉分布随材料配比的变化规律。三维重构图像清晰地揭示了当PDPPSe-12与PS比例为70:30时，薄膜形成了最佳的不规则多级孔网络，孔隙率达到0.23，孔喉尺寸主要集中在150 nm附近，如图3所示。更重要的是，成像结果直观地展现了孔洞的不规则形状和随机分布特征，这正是突破传统理论模型预测、实现热导率额外大幅降低的关键结构因素。这种通过成像直接观察到的“不规则性”，与散射技术获取的统计平均信息形成了很好的互补。
图2. PDPPSe-12/PS（70:30）共混薄膜RSoXS表征结果
图3. 不同比例PDPPSe-12/PS共混薄膜nano-CT表征结果
该研究通过将散射技术的统计定量优势与成像技术的直观可视化能力相结合，构建了对不规则多级孔结构从“平均尺寸分布”到“真实三维形貌”的完整认知。这种多模态表征策略，精准地建立了复杂微观结构与宏观热电性能之间的构效关系，充分展示了同步辐射光源在先进功能材料研究中的强大能力。多模态表征已成为解析此类复杂体系结构、揭示其工作机制的不可或缺的研究范式。
原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx9237
