當(dāng)火災(zāi)隱患還停留在“苗頭”階段就能被發(fā)現(xiàn)，將為生命財(cái)產(chǎn)爭取寶貴的逃生與應(yīng)對時(shí)間。這正是科研人員孜孜以求的目標(biāo)：開發(fā)一種無需電池供電、能夠自驅(qū)動(dòng)感知溫度升高并及時(shí)報(bào)警的“智能防火預(yù)警”材料系統(tǒng)。近日，《Advanced Materials》在線發(fā)表了一篇綜述《Mechanism-Guided Thermoelectric Strategies for Smart Fire Prevention》，系統(tǒng)總結(jié)了熱電材料用于智能火災(zāi)預(yù)警的最新策略與應(yīng)用。本文將用通俗語言解讀該成果要點(diǎn)，揭秘“機(jī)制導(dǎo)向”如何賦能新一代智能、自驅(qū)動(dòng)、靈敏耐用的熱電預(yù)警系統(tǒng)。
火災(zāi)發(fā)生初期往往只有幾分鐘的寶貴逃生時(shí)間，及時(shí)預(yù)警對于減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失至關(guān)重要。近年來，研究人員將目光投向新型功能材料，希望打造更快速、敏感的自供電火情傳感器。其中，熱電材料由于能夠?qū)夭钪苯愚D(zhuǎn)化為電信號（塞貝克效應(yīng)），成為智能火災(zāi)預(yù)警領(lǐng)域的明星。熱電效應(yīng)可以讓傳感材料在探測到溫度驟升（如火焰初起）時(shí)瞬間產(chǎn)生電壓，無需電池就能觸發(fā)警報(bào)。這意味著即使在偏遠(yuǎn)無電地區(qū)或設(shè)備斷電情況下，熱電預(yù)警器也能自行運(yùn)轉(zhuǎn)，第一時(shí)間發(fā)出火災(zāi)信號，為防火安全提供了一道全新的保障。
機(jī)制導(dǎo)向：熱電材料防火的新策略
首先從材料機(jī)制入手，總結(jié)出一系列提升性能的策略。該綜述強(qiáng)調(diào)“機(jī)制導(dǎo)向”，也就是緊扣熱電轉(zhuǎn)換的物理機(jī)制，來指導(dǎo)材料的設(shè)計(jì)。文章系統(tǒng)討論了以下幾種關(guān)鍵策略：
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結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：通過巧妙的材料結(jié)構(gòu)和形貌設(shè)計(jì)，優(yōu)化溫度梯度分布和導(dǎo)電路徑。一方面增加熱端和冷端的溫差，另一方面保證電子傳輸順暢，從宏觀結(jié)構(gòu)上提升熱電輸出性能和穩(wěn)定性。
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能量過濾：在材料內(nèi)部設(shè)置能量篩選機(jī)制，讓特定能量范圍的載流子更易通過。例如在半導(dǎo)體熱電材料中引入納米級散射中心或異質(zhì)界面，阻擋低能量載流子流動(dòng)，優(yōu)先讓高能量載流子貢獻(xiàn)電壓，從而提高塞貝克系數(shù)和輸出電壓。
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摻雜調(diào)控：通過摻雜引入特定元素或化合物，調(diào)整材料的載流子濃度和能帶結(jié)構(gòu)，提升熱電優(yōu)值。摻雜可以顯著提高電導(dǎo)率或優(yōu)化熱導(dǎo)率，使材料在火災(zāi)初始溫度范圍內(nèi)響應(yīng)更敏銳、信號更強(qiáng)。
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離子熱電效應(yīng)：巧用離子導(dǎo)電產(chǎn)生的熱電效應(yīng)，這是近年來新興的策略。比如在水凝膠、離子液體等軟材料中，溫差會(huì)驅(qū)動(dòng)離子定向移動(dòng)產(chǎn)生電勢差。離子熱電材料具有柔性、可穿戴等優(yōu)勢，可用于織物式或皮膚式火災(zāi)傳感器。這種基于“離子熱電”的設(shè)計(jì)拓展了智能火警系統(tǒng)的材料選擇，為開發(fā)新型傳感器提供了參考。
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界面工程：通過界面優(yōu)化來降低熱損失、增強(qiáng)電傳輸。在復(fù)合材料或涂層中引入多層界面、梯度界面或表面涂覆，可散射熱聲子降低熱導(dǎo)，同時(shí)構(gòu)建高速電子通道提高電導(dǎo)。界面工程還能提升材料在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性，確保傳感器在火災(zāi)中依然靈敏耐用地工作。
綜上，這些機(jī)制導(dǎo)向的策略從電子傳輸、聲子散射、離子遷移等不同角度出發(fā)，全方位提升了熱電材料用于火情預(yù)警的性能。正是有了這些材料“內(nèi)功”的修煉，才有望實(shí)現(xiàn)真正可靠的自驅(qū)動(dòng)火災(zāi)報(bào)警。
應(yīng)用場景：從身邊到遠(yuǎn)方的火情守護(hù)
論文中列舉了多種典型應(yīng)用場景，展示熱電智能防火的廣闊前：
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可穿戴火災(zāi)預(yù)警器：當(dāng)消防員的防護(hù)服或普通人的工作服中織入熱電纖維，一旦周圍溫度異常升高（如初始火苗或高溫?zé)煔猓b就能自動(dòng)產(chǎn)生電信號并觸發(fā)警報(bào)？蓭椭绬T在衣物受高溫侵襲前就獲得警示，及時(shí)撤離危險(xiǎn)。這種貼身的“早期報(bào)警”將個(gè)人防護(hù)提升到新水平。
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分布式森林火災(zāi)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)：在廣袤的森林中布置自供能熱電傳感節(jié)點(diǎn)，形成物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。一旦某片林區(qū)溫度異常升，這些隱蔽的傳感器就會(huì)將信號通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)控中。相比傳統(tǒng)依賴衛(wèi)星或人工瞭望的手段，熱電傳感網(wǎng)絡(luò)能夠全天候連續(xù)工作，且反應(yīng)更靈敏、更及時(shí)，為防范山火提供技術(shù)利器。
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智能建筑安全系統(tǒng)：智慧樓宇中的每一處關(guān)鍵位置（配電箱、廚房、電器旁等）都可能安裝熱電火情探測器，一旦局部過熱（例如電線短路起火初期），立即自行發(fā)電報(bào)警，并通過樓宇物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)動(dòng)灑水裝置或通知消防。這種系統(tǒng)能夠定點(diǎn)監(jiān)測火災(zāi)隱患，實(shí)現(xiàn)從家庭到高層建筑的主動(dòng)安全防護(hù)，徹底改變傳統(tǒng)消防被動(dòng)等待報(bào)警器響起的模式。
該論文是宋平安教授團(tuán)隊(duì)在熱電防火材料領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展之一。近年來，該團(tuán)隊(duì)及其合作者報(bào)道了系列高性能材料及其在火災(zāi)防護(hù)中的應(yīng)用（ACS Nano,2021,15, 11667-11680; Adv. Mater., 2024, 2410453; Adv. Mater. 2024, 37,2411856）。南昆士蘭大學(xué)侯博友博士為該論文的第一作者，宋平安教授和洪敏教授為通訊作者。
原文鏈接:https://doi.org/10.1002/adma.202508628
