Cientistas de materiais da Duke University descobriram um mecanismo atômico que torna certos materiais termoelétricos incrivelmente eficientes perto de transições de fase de alta temperatura. As informações ajudarão a preencher lacunas críticas de conhecimento na modelagem computacional de tais materiais, potencialmente permitindo que os pesquisadores descubram novas e melhores opções para tecnologias que dependem da transformação de calor em eletricidade.

Os resultados aparecem online no dia 4 de setembro na revista. Nature Communications .

Os materiais termoelétricos convertem calor em eletricidade quando os elétrons migram do lado quente do material para o lado frio. Como é necessário fornecer uma diferença de temperatura entre seus dois lados, os pesquisadores estão interessados ​​em tentar usar esses materiais para gerar eletricidade a partir do calor do escapamento de um carro ou recuperar a energia perdida na forma de calor em usinas de energia.

Nos últimos anos, novos recordes foram estabelecidos para eficiência termoelétrica com um material emergente chamado seleneto de estanho e seu composto irmão, sulfeto de estanho. A versão de sulfeto ainda não é tão boa como termoelétrica, mas está sendo otimizado ainda mais porque é mais barato de produzir e mais ecologicamente correto.

Embora os cientistas saibam que esses dois compostos são excelentes materiais termoelétricos, eles não sabem exatamente por quê. No novo estudo, Olivier Delaire, professor associado de engenharia mecânica e ciência dos materiais na Duke, e dois de seus alunos de graduação, Tyson Lanigan-Atkins e Shan Yang, tentou preencher um pouco dessa lacuna de conhecimento.

“Queríamos tentar entender por que esses materiais têm uma condutividade térmica tão baixa, o que ajuda a habilitar as fortes propriedades termoelétricas pelas quais são conhecidas, "disse Delaire." Usando uma combinação poderosa de medições de espalhamento de nêutrons e simulações de computador, descobrimos que está relacionado às vibrações atômicas do material em alta temperatura, que ninguém tinha visto antes. "

A baixa condutividade térmica é um ingrediente necessário de qualquer bom material termoelétrico. Como a geração de eletricidade requer um diferencial de calor entre seus dois lados, faz sentido que os materiais que impedem que o calor se espalhe por eles tenham um bom desempenho.

Para obter uma visão das vibrações atômicas do sulfeto de estanho em ação, Delaire e Lanigan-Atkins levaram amostras para o High Flux Isotope Reactor no Oak Ridge National Laboratory. Ao ricochetear nêutrons dos átomos do sulfeto de estanho e detectar onde eles vão parar depois, os pesquisadores puderam determinar onde os átomos estavam e como eles estavam vibrando coletivamente na estrutura do cristal.

As instalações do ORNL eram particularmente adequadas para a tarefa. Como as vibrações atômicas do sulfeto de estanho são relativamente lentas, os pesquisadores precisam de nêutrons "frios" de baixa energia que sejam delicados o suficiente para vê-los. E ORNL tem alguns dos melhores instrumentos de nêutrons frios do mundo.

"Descobrimos que o sulfeto de estanho efetivamente possui certos modos de vibração que são muito flexíveis, '", disse Delaire." E que suas propriedades estão conectadas com a instabilidade inerente em sua estrutura cristalina. "

Em temperaturas mais baixas, sulfeto de estanho é um material em camadas com grades distorcidas de estanho e sulfeto sobrepostas, ondulado como um acordeão. Mas em temperaturas próximas de seu ponto de transição de fase de 980 graus Fahrenheit - que é onde os geradores termoelétricos geralmente operam - esse ambiente distorcido começa a se decompor. As duas camadas, como por magia, tornam-se não distorcidos novamente e mais simétricos, que é onde o "floppiness" entra em jogo.

Como o material se espalha entre os dois arranjos estruturais em alta temperatura, seus átomos não vibram mais juntos como uma corda de violão bem afinada e, em vez disso, tornam-se anarmonicamente amortecidos. Para entender isso melhor, pense em um carro com choques terríveis como tendo uma vibração harmônica - ele continuará quicando muito depois de passar pelo menor solavanco. Mas choques adequados irão amortecer essa vibração, tornando-o anarmônico e impedindo-o de oscilar por um longo tempo.

"As ondas de calor viajam através de vibrações atômicas em um material, "disse Delaire." Então, quando as vibrações atômicas no sulfeto de estanho se tornam frouxas, eles não transmitem vibrações muito rapidamente e também não vibram por muito tempo. Essa é a causa raiz de sua capacidade de impedir o calor de viajar dentro dele. "

Com esses resultados em mãos, Delaire e Yang então procuraram confirmá-los e entendê-los computacionalmente. Usando supercomputadores no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, Yang foi capaz de reproduzir os mesmos efeitos anarmônicos em altas temperaturas. Além de confirmar o que viram nos experimentos, Delaire diz que esses modelos atualizados permitirão aos pesquisadores pesquisar melhor por novos materiais termelétricos para usar nas tecnologias do futuro.

"Pesquisadores da área não consideram as fortes dependências da temperatura nas velocidades de propagação do calor, e esta modelagem mostra o quão importante essa variável pode ser, "disse Delaire." Adotar esses resultados e outros avanços teóricos tornará mais fácil para os cientistas de materiais preverem outros bons materiais termoelétricos. "