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。對于化學家而言，π更多地是指一種化學鍵。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，能夠在形成化學鍵的2個原子間移動。
在科學家們眼里，大π鍵能“派”出的大本事！
更令化學家驚奇的是，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研究中最耀眼的明星之一。如何高效設計和合成π-共軛分子、如何精準調控其組裝結構和電子行為，則是這一領域最具挑戰(zhàn)性的基礎科學問題。
2014年起，中國科學院啟動戰(zhàn)略性先導科技專項（B類）“功能pi(π)-體系的分子工程”（以下簡稱“先導專項”）。
在先導專項支持的5年工作里，由中國科學院院士朱道本、萬立駿擔任首席科學家，來自中國科學院化學研究所、長春應用化學研究所、上海有機化學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，產生一批原創(chuàng)性的具有世界領先水平的創(chuàng)新成果。
科學家們在國際知名學術期刊發(fā)表1183篇論文，申請169項發(fā)明專利，其中64項已獲授權，專項目標和技術指標全面超額完成。
在化學所為該先導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，發(fā)展了令人興奮的材料和器件研究的完整平臺?！?
同時，基于專項的科學研究成果，科學家們還發(fā)展出具有自主產權的柔性器件制備與集成技術，有力推動我國在這一戰(zhàn)略新興產業(yè)上發(fā)展，為有機電子工業(yè)顛覆未來生活做好了科學與技術的準備。
從今天起，《中國科學報》將盤點該項目支持下，科學家在6個不同領域取得的成果。
有機熱電材料：未來綠色能源的新翹楚
熱電效應是一種基本的并且普遍存在的能量轉換現(xiàn)象。基于這一效應，利用溫差發(fā)電以及在電場驅動下制冷都能實現(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、柔韌性和低熱導率，展現(xiàn)突出的熱電性能。
中國學者在這一領域發(fā)揮引領性作用。1986年，來自中科院化學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研究才逐漸步入繁榮發(fā)展期。
在先導專項支持下，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。
中國科學院院士朱道本介紹，科學家們在該領域的突出工作包括：
首先，獲得了刷新熱電性質新紀錄的熱電材料。研究人員用電化學的方法，制備一種配位聚合物，克服了結構無序性對提高熱電性能的阻礙，大幅提高了材料的導電率，體現(xiàn)熱電性能的熱電優(yōu)值（ZT值）達到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體的場調控熱電性能新方法，加快尋找有前景的有機熱電材料。這種新方法為理性設計有機熱電材料奠定了基礎。
第三，制備了一批基于熱電材料的新器件。
例如，首次利用微結構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)制冷方面的廣闊應用前景。
國際評估專家指出，在有機電子學常常局限于場效應晶體管、發(fā)光二極管和太陽能電池等“常規(guī)的可能應用”時，化學所在有機熱電材料領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，燒水的熱能轉換成電能，水熱了，也給手機充了電?！?
研究人員認為，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。
