Dispositivos termoelétricos são altamente versáteis, com a capacidade de converter calor em eletricidade, e eletricidade em calor. Eles são pequenos, leve, e extremamente duráveis ​​porque não têm peças móveis, é por isso que eles têm sido usados ​​para alimentar espaçonaves da NASA em missões de longo prazo, incluindo as sondas espaciais Voyager lançadas em 1977.

Como a aplicação de uma corrente elétrica a uma termoelétrica faz com que as partículas carregadas se difundam do lado quente do material para o lado frio, eles são amplamente usados ​​em aplicações de resfriamento para extrair calor dos sistemas, como em bombas de calor, dispositivos de fibra óptica, e assentos de carro - e para controlar a temperatura das baterias. O processo também é reversível e pode efetivamente recuperar "calor residual" para gerar eletricidade útil a partir de superfícies quentes, como o tubo de escape de um veículo.

Apesar de sua versatilidade e confiabilidade, usar a tecnologia termoelétrica em muitas aplicações continua sendo um desafio, devido ao seu custo relativamente alto e ineficiência em comparação com os sistemas convencionais de energia e aquecimento ou resfriamento. Para máxima eficiência, termelétricas precisam ser bons condutores de eletricidade e maus condutores de calor - propriedades raramente encontradas no mesmo material.

Engenheiros da Duke University estão usando técnicas de espalhamento de nêutrons frios (energia mais baixa) no Oak Ridge National Laboratory (ORNL) para estudar os movimentos vibracionais dos átomos, chamados de "fônons, "que é como o calor se propaga por meio de materiais termoelétricos. Ao compreender como os fônons se movem e se espalham dentro da termoelétrica, os cientistas esperam eventualmente controlar o transporte de fônons e elétrons para melhorar a condutividade elétrica e, ao mesmo tempo, minimizar o fluxo de calor.

“Estamos usando nêutrons para estudar materiais termoelétricos, porque podemos sintonizar suas energias para corresponder à energia inferior dos fônons, que oferece uma resolução mais alta, "disse Tyson Lanigan-Atkins, um Ph.D. estudante na Duke, em um grupo que trabalhava com Olivier Delaire, professor associado de engenharia mecânica e ciência dos materiais. "Os nêutrons também nos permitem realizar pesquisas em ambientes de amostra mais complexos, como o encapsulamento personalizado que usamos em um ambiente de alta temperatura. "

Entre os materiais termoelétricos usados ​​nos experimentos estava um único cristal de seleneto de chumbo, que foi uma das primeiras ligas investigadas e comercializadas para geradores termelétricos. Os cientistas estavam interessados ​​na transição de fase estrutural do material em altas temperaturas, devido ao acoplamento único entre as vibrações eletrônicas e de rede no sistema, e a influência que essa transição tem na condutividade térmica.

Durante a realização de sua pesquisa no espectrômetro de nêutron frio triplo-eixo (CTAX) linha de luz de nêutrons no High Flux Isotope Reactor (HFIR) do ORNL, os cientistas precisavam alinhar cristais grandes em um ou dois graus um do outro. Eles encontraram vários desafios de engenharia ao projetar seu experimento, incluindo o desenvolvimento de um suporte de amostra para posicionar corretamente os cristais encapsulados dentro do feixe de nêutrons.

"O material se torna muito instável - essencialmente, começa a evaporar - sob condições de vácuo e em ambientes de gás comuns, que é normalmente como realizamos experimentos de alta temperatura, "disse Jennifer Niedziela, um espectroscopista vibracional na diretoria de Ciência e Engenharia Nuclear do ORNL e ex-pesquisador de pós-doutorado no grupo de Delaire. "Antecipando esses problemas, encerramos as amostras dentro de cápsulas de quartzo para manter uma atmosfera controlada em torno da amostra, o que nos permitiu estudar a dinâmica do fônon. Isso destaca outra vantagem do espalhamento de nêutrons em que podemos colocar uma grande quantidade de material no caminho do feixe de nêutrons, como quartzo, lã, e fios, e ainda ver os sinais que nos interessam. "

O design do porta-amostra passou por várias iterações para garantir que os pesquisadores pudessem aquecer a amostra com segurança. Eles consultaram especialistas na loja de vidro ORNL, que fez a cápsula de quartzo, e o laboratório de ambiente de amostra, bem como especialistas em materiais de alta temperatura, para garantir que eles pudessem projetar um suporte que atendesse aos objetivos dos pesquisadores. Cada suporte teve que ser projetado para reter o cristal em uma orientação fixa e caber em uma área relativamente pequena no ambiente da amostra de alta temperatura. Se a amostra se movesse, eles arriscaram colocar o forno em curto e fazer com que ele desligasse.

Esforços anteriores para resolver larguras de linha de fônons acústicos abaixo de 1,0 mili-elétron volt (meV) não tiveram sucesso devido aos limites de resolução dos instrumentos de nêutrons empregados. Contudo, os nêutrons frios fornecidos pela linha de luz CTAX são adequados para medição de alta resolução da dinâmica da rede em sólidos cristalinos que têm uma alta relação sinal-ruído, como materiais termoelétricos. "Usando o espectrômetro de eixo triplo no CTAX, obtivemos dados excelentes sobre a largura de linha de fônons acústicos abaixo de 1,0 meV em um regime de alta temperatura, "disse Niedziela.

As medições de espalhamento de nêutrons permitiram ao grupo de pesquisa Duke obter percepções poderosas sobre fenômenos microscópicos de transporte de calor em materiais que são importantes para aplicações de energia.