基于熱電效應的能量轉換技術因其獨特的熱—電直接轉化特性，在能量采集、柔性電子傳感、生物醫療設備以及固態制冷等領域展現出革命性應用前景，已成為應對能源危機與可持續發展挑戰的重要研究方向。當前主流熱電發電裝置受限于剛性材料體系，難以滿足柔性場景中動態形變（如彎曲、扭曲及拉伸）的協同適配需求，嚴重制約了其實際應用與發展。近年來，室溫液態金屬作為新興功能材料在熱電研究領域備受關注，特別是以鎵基合金為代表的液態金屬，不僅具備本征熱電特性，更兼具流體流動性、高導電/熱能力以及動態自修復特性。液態金屬獨特的材料屬性有望為開發新一代柔性熱電系統提供新路徑。

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

理化所劉靜研究員團隊《AFM》綜述：液態金屬熱電效應基礎特性與變革性應用

【液態金屬與熱電效應交叉領域研究趨勢】

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

基于液態金屬的熱電效應研究趨勢

圖1. 基于液態金屬的熱電效應研究趨勢

液態金屬在熱電效應領域中的應用及其優勢

圖2. 液態金屬在熱電效應領域中的應用及其優勢

【液態金屬用作柔性互連電路】

通過液態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。如劉靜團隊在2014年首次將鎵和康銅集成為柔性熱電發電機的互連材料，構建出一個微型熱電發電堆，在160 °C溫差下實現了約100 mV的輸出電壓，顯示了良好的柔性性能。后續不少研究進一步驗證了液態金屬作為互連電路的高可靠性和自修復性能，即使在大幅彎曲、拉伸下依然能保持穩定的電性能。

液態金屬用作互連電路

圖3. 液態金屬用作互連電路

【液態金屬用作導熱增益材料】

在柔性熱電器件中，封裝材料的熱導率至關重要。液態金屬復合彈性體可顯著提高封裝層的熱導性能，有效降低器件內熱阻，從而提升器件的整體效率。研究表明，加入液態金屬后，彈性體的熱導率最高可提高近5倍。通過進一步加入石墨烯納米片或銅顆粒，封裝層的熱導率可進一步增強，有效提升器件的能量轉化效率。結合3D打印技術，可基本實現柔性熱電器件的自動化制造。

熱電器件的高度自動化制造

圖4. 熱電器件的高度自動化制造

【液態金屬摻雜制備高性能熱電腿材料】

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

液態金屬與Sb2Se3的復合物制造具有自愈特性的熱電支腿

圖5. 液態金屬與Sb2Se3的復合物制造具有自愈特性的熱電支腿

【液態金屬液-液、液-固界面的特殊熱電效應】

不同液態金屬之間以及液態金屬與固體金屬之間存在獨特的液-液、液-固界面熱電現象，劉靜小組在2012年首次揭示了這種特殊的現象，并制造出多種類型的液態金屬熱電器件。之后，2024年Vernet等人（PNAS 121, e2320704121）對鎵和汞之間的熱電效應再次進行了深入研究，在外加磁場的作用下，發現了冷端和熱端附近出現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。

液態金屬熱電效應研究

圖6. 液態金屬熱電效應研究

【液態金屬熱電器件的應用】

液態金屬熱電器件以其優異的柔性、導熱性和自修復性能，在可穿戴健康監測、熱管理、余熱回收、太陽能熱電轉換、自驅動液態金屬傳熱系統及自主式熱能收集軟機器人等領域表現出卓越的應用前景。相關研究實現了可長時間、穩定監測人體健康指標，并主動調節穿戴設備溫度的柔性器件，開發出高效余熱回收及太陽能熱發電技術。液態金屬的熱電效應電流在磁場作用下可產生洛倫茲力，為電子設備、核聚變反應堆冷卻提供了嶄新思路。此外，基于液態金屬熱電發電機與軟體機器人的結合實現了可自主追逐熱源并收集熱能的軟機器人，對于無系繩軟體機器人的發展有著重要意義。

液態金屬熱電設備在余熱回收、太陽能熱電轉換、自驅動液態金屬傳熱系統及自主式熱能收集軟機器人等領域的應用

圖7. 液態金屬熱電設備在余熱回收、太陽能熱電轉換、自驅動液態金屬傳熱系統及自主式熱能收集軟機器人等領域的應用

【挑戰與未來展望】

液態金屬在柔性熱電領域展現出巨大應用前景，但仍面臨長期穩定性、界面可靠性與制造工藝優化等重要挑戰。首先，目前柔性熱電器件長期使用中材料易出現疲勞損傷，影響性能穩定性，尤其液態金屬與基底界面的粘合穩定性及封裝泄漏問題亟待優化。未來可通過研發高韌性、抗疲勞、自修復復合材料，提高器件長期可靠性。此外，液態金屬在納米尺度制備時可實現更加穩定的形貌，避免宏觀液態金屬可能產生的泄漏風險。同時，開發液態金屬與高塞貝克系數、低電導率的熱電材料復合摻雜技術，有望實現高導電性、高塞貝克系數與優異柔性的統一。此外，研究液態金屬特有的液—液界面熱電效應與特殊相變現象，揭示溫度梯度不均勻分布及界面高電流密度產生機制，將有助于進一步提高液態金屬熱電器件的性能。最后，液態金屬的自動化3D打印工藝在實現大規模制造柔性熱電器件方面極具潛力，未來可實現柔性熱電材料與半導體元件（如ITO）結合的全自動、規模化制造，為液態金屬熱電技術的產業化奠定基礎。

基于液態金屬的熱電效應的未來研究方向及挑戰

圖8. 基于液態金屬的熱電效應的未來研究方向及挑戰

文獻來源：
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：高分子科學前沿
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