在沙特阿拉伯的國王阿卜杜拉科技大學（KAUST），研究人員開發了一種基於數據的方法，用於選擇製造有機熱電設備（OTEs）時的理想溶劑。這些薄膜系統能夠收集廢熱並將其轉化為電能。
通過引導聚合物分子進入最具導電性的排列，這種基於模型的「溶劑選擇器」在概念驗證試驗中將設備輸出提高了 20 倍，提供了一條低成本的綠色能源回收途徑。
項目負責人 Derya Baran 表示：「廢熱無處不在：工業過程、汽車引擎、空調，甚至是咖啡杯中。」他們希望利用這種能量來提高電子設備的能源自主性，例如在不插入牆壁插座的情況下為電池充電。
有機薄膜的分子圖譜
傳統熱電材料依賴於昂貴的無機晶體，如碲化鉍。有機版本則使用可溶液加工的聚合物，這些聚合物可以大規模印刷，但由於長聚合物鏈隨機結晶，其效率一直落後。
只有當這些晶體域以「邊緣向上」的方式堆疊時，最大電流才能流動，這為電荷載體提供了從模塊的熱端到冷端的直接通道。實現這種理想排列通常需要高溫退火、機械摩擦或其他耗能步驟。
此外，聚合物薄膜必須摻雜能提供自由電荷的添加劑，但這些添加劑可能會擾亂晶體的堆積。為了解決這一複雜性，KAUST 團隊構建了一個基於他們稱之為分子力驅動各向異性（MFDA）的預測模型。
該軟件評估候選溶劑對聚合物和摻雜劑的溶解能力，並考慮物理性質，如沸點。通過分析這些分子間的力，它預測特定溶劑是否能在濕膜乾燥時引導聚合物鏈進入理想的邊緣排列。
合作者 Diego Rosas Villalva 說：「這個工具非常有助於預測哪些溶劑能實現所需的聚合物排列，同時篩選大量的溶劑數據庫。這大大節省了通過試錯法進行優化的時間和資源。」
氯苯成為首選
利用 MFDA，研究人員篩選了超過 10,000 種商業可用的溶劑，以尋找與基準聚噻吩聚合物及三種不同摻雜劑的理想搭檔。該算法明顯偏向於氯苯，這是一種常見的實驗室溶劑，根據模型，其分子互動促進有序的邊緣晶體生長。
使用氯苯製造的設備在性能上超過了使用長期以來業界選擇的對二氯苯的設備，性能提高了 20 倍。無需額外的處理技巧，僅僅更換液體就實現了性能提升。
作者們認為，類似的溶劑引導排列應該可以轉化為其他聚合物電子設備的應用，從有機太陽能電池到柔性晶體管。
超越廢熱回收
由於 MFDA 框架將宏觀性能與精確的分子關係相連接，Baran 認為這將為研究人員提供調整軟電子材料中電荷傳輸的一般路線圖。
她指出：「排列對每個電子設備都是非常重要的因素。我認為其他研究人員將利用這一策略來理解電荷在有機電子設備中的運動，進而改善這些設備。」
通過用針對性的溶劑工程取代試錯化學，KAUST 團隊邁出了將隱形能量轉化為有用電力的重要一步。這將有助於仍在起步階段的有機熱電技術實現從實驗室演示到實用模塊的更短、更便宜的路徑，這些模塊能夠回收每天從工廠、車輛和家用電器中流失的低品位熱能。
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