近日，复旦大学物理学系/应用表面物理国家重点实验室黄吉平教授课题组与合作者，在生物启发下，提出了一种基于拓展平面结构的热超构材料，其通过调节拓展平面的高度实现了特定区域的温度梯度增强，并进而实现了热电转换效率的极大提升。相关成果以“Bio-inspired energy-free temperature gradient regulator for significant enhancement of thermoelectric conversion efficiency”为题于2025年2月14日发表于《美国科学院院刊》[Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 122, e2424421122 (2025)]。我系黄吉平教授与我系2023届博士毕业生、现上海交通大学周鑫晨博士后为论文的共同通讯作者；我系博士生谭浩瀚同学为论文的第一作者，合作者还包括我系博士生赵昱倩同学和金鹏博士、哈尔滨工业大学徐翔教授、同济大学Fabio Marchesoni教授。

图1: 基于拓展平面的温度梯度调节器。(A)温度梯度调节器实现热电效率提升原理。(B)灵感部分来源于古生物剑龙背板的温度调节机制。(C-D)温度梯度调节器分别应用于芯片散热和智能穿戴设备。

在能源领域的研究中，如何提升热电器件的转换效率一直是一个研究热点，在以往的研究中，由于热电优值与热电器件转换效率紧密联系，使其成为了众多研究者关注的重点。热电效率的提升对人类生活具有重大意义，因为其能够把更多的废热转换为电能——这些废热包括芯片运行过程中产生的热量，等等。近年来，热超构材料的迅速发展，尤其是温度梯度调节器的提出为热电效率提升提供了一个新的方向。当前，提升热电器件效率的方法主要集中在微观层面，即通过调节材料的组分从而改变电导率或热导率进而实现热电效率的提升。但是，这类方法面临诸多挑战，首先是制作流程上，改变材料的属性存在不少困难或挑战；其次，由于材料的电导率和热导率之间通常存在相互依赖关系，这就导致效率的提升在原理上受到了限制。

为了解决这些实际应用中的挑战，该课题组受到部分生物温度调节机制的启发，提出了一种基于拓展平面结构的温度梯度调节器。在该器件中，通过调节拓展平面的高度实现了特定区域温度梯度的增强效应，并进而利用该效应实现了热电转换效率的极大提升。不同于传统微观效率提升手段，该方法从宏观角度实现效率提升，具有容易实现、且能运用于多种环境温度、适用于多种结构等优点。这项研究，不仅为进一步提升热电转换效率提供了新的思路，而且对推动热超构材料的发展具有重要意义。

论文地址：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2424421122