當火災隱患還停留在“苗頭”階段就能被發現，將為生命財產爭取寶貴的逃生與應對時間。這正是科研人員孜孜以求的目標：開發一種無需電池供電、能夠自驅動感知溫度升高并及時報警的“智能防火預警”材料系統。近日，《Advanced Materials》在線發表了一篇綜述《Mechanism-Guided Thermoelectric Strategies for Smart Fire Prevention》，系統總結了熱電材料用于智能火災預警的最新策略與應用。本文將用通俗語言解讀該成果要點，揭秘“機制導向”如何賦能新一代智能、自驅動、靈敏耐用的熱電預警系統。
火災發生初期往往只有幾分鐘的寶貴逃生時間，及時預警對于減少人員傷亡和財產損失至關重要。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，熱電材料由于能夠將溫差直接轉化為電信號（塞貝克效應），成為智能火災預警領域的明星。熱電效應可以讓傳感材料在探測到溫度驟升（如火焰初起）時瞬間產生電壓，無需電池就能觸發警報。這意味著即使在偏遠無電地區或設備斷電情況下，熱電預警器也能自行運轉，第一時間發出火災信號，為防火安全提供了一道全新的保障。
機制導向：熱電材料防火的新策略
首先從材料機制入手，總結出一系列提升性能的策略。該綜述強調“機制導向”，也就是緊扣熱電轉換的物理機制，來指導材料的設計。文章系統討論了以下幾種關鍵策略：
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結構設計：通過巧妙的材料結構和形貌設計，優化溫度梯度分布和導電路徑。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，從宏觀結構上提升熱電輸出性能和穩定性。
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能量過濾：在材料內部設置能量篩選機制，讓特定能量范圍的載流子更易通過。例如在半導體熱電材料中引入納米級散射中心或異質界面，阻擋低能量載流子流動，優先讓高能量載流子貢獻電壓，從而提高塞貝克系數和輸出電壓。
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摻雜調控：通過摻雜引入特定元素或化合物，調整材料的載流子濃度和能帶結構，提升熱電優值。摻雜可以顯著提高電導率或優化熱導率，使材料在火災初始溫度范圍內響應更敏銳、信號更強。
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離子熱電效應：巧用離子導電產生的熱電效應，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，溫差會驅動離子定向移動產生電勢差。離子熱電材料具有柔性、可穿戴等優勢，可用于織物式或皮膚式火災傳感器。這種基于“離子熱電”的設計拓展了智能火警系統的材料選擇，為開發新型傳感器提供了參考。
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界面工程：通過界面優化來降低熱損失、增強電傳輸。在復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，同時構建高速電子通道提高電導。界面工程還能提升材料在高溫環境下的穩定性，確保傳感器在火災中依然靈敏耐用地工作。
綜上，這些機制導向的策略從電子傳輸、聲子散射、離子遷移等不同角度出發，全方位提升了熱電材料用于火情預警的性能。正是有了這些材料“內功”的修煉，才有望實現真正可靠的自驅動火災報警。
應用場景：從身邊到遠方的火情守護
論文中列舉了多種典型應用場景，展示熱電智能防火的廣闊前：
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可穿戴火災預警器：當消防員的防護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（如初始火苗或高溫煙氣），服裝就能自動產生電信號并觸發警報。可幫助消防員在衣物受高溫侵襲前就獲得警示，及時撤離危險。這種貼身的“早期報警”將個人防護提升到新水平。
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分布式森林火災監測網絡：在廣袤的森林中布置自供能熱電傳感節點，形成物聯網監測網絡。一旦某片林區溫度異常升，這些隱蔽的傳感器就會將信號通過無線網絡發送至監控中。相比傳統依賴衛星或人工瞭望的手段，熱電傳感網絡能夠全天候連續工作，且反應更靈敏、更及時，為防范山火提供技術利器。
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智能建筑安全系統：智慧樓宇中的每一處關鍵位置（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），立即自行發電報警，并通過樓宇物聯網聯動灑水裝置或通知消防。這種系統能夠定點監測火災隱患，實現從家庭到高層建筑的主動安全防護，徹底改變傳統消防被動等待報警器響起的模式。
該論文是宋平安教授團隊在熱電防火材料領域的最新研究進展之一。近年來，該團隊及其合作者報道了系列高性能材料及其在火災防護中的應用（ACS Nano,2021,15, 11667-11680; Adv. Mater., 2024, 2410453; Adv. Mater. 2024, 37,2411856）。南昆士蘭大學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
