Los dispositivos termoeléctricos son muy versátiles, con la capacidad de convertir el calor en electricidad, y electricidad en calor. Ellos son pequeños, ligero, y extremadamente duraderos porque no tienen partes móviles, por eso se han utilizado para impulsar naves espaciales de la NASA en misiones a largo plazo, incluidas las sondas espaciales Voyager lanzadas en 1977.

Debido a que la aplicación de una corriente eléctrica a un termoeléctrico hace que las partículas cargadas se difundan del lado caliente del material al lado frío, Son ampliamente utilizados en aplicaciones de refrigeración para extraer calor de los sistemas. como en bombas de calor, dispositivos de fibra óptica, y asientos para el automóvil, y para controlar la temperatura de los paquetes de baterías. El proceso también es reversible y puede recuperar eficazmente el "calor residual" para generar electricidad útil a partir de superficies calientes. como el tubo de escape de un vehículo.

A pesar de su versatilidad y fiabilidad, el uso de tecnología termoeléctrica en muchas aplicaciones sigue siendo un desafío, debido a su costo relativamente alto y su ineficiencia en comparación con los sistemas convencionales de energía y calefacción o refrigeración. Para una máxima eficiencia, Los termoeléctricos deben ser buenos conductores de electricidad y malos conductores de calor, propiedades que rara vez se encuentran en el mismo material.

Los ingenieros de la Universidad de Duke están utilizando técnicas de dispersión de neutrones fríos (de baja energía) en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) para estudiar los movimientos vibratorios de los átomos, llamados "fonones, "que es cómo se propaga el calor a través de los materiales termoeléctricos. Al comprender cómo se mueven y se dispersan los fonones dentro de la termoeléctrica, los científicos esperan controlar eventualmente el transporte de fonones y electrones para mejorar la conductividad eléctrica mientras se minimiza el flujo de calor.

"Estamos usando neutrones para estudiar materiales termoeléctricos, porque podemos sintonizar sus energías para que coincidan con la energía más baja de los fonones, que proporciona una resolución más alta, "dijo Tyson Lanigan-Atkins, un doctorado estudiante en Duke, en un grupo que trabaja con Olivier Delaire, profesor asociado de ingeniería mecánica y ciencia de los materiales. "Los neutrones también nos permiten realizar investigaciones en entornos de muestra más complejos, como la encapsulación personalizada que estamos usando en un entorno de alta temperatura ".

Entre los materiales termoeléctricos utilizados en los experimentos se encontraba un monocristal de seleniuro de plomo, que fue una de las primeras aleaciones investigadas y comercializadas para generadores termoeléctricos. Los científicos estaban interesados ​​en la transición de fase estructural del material a altas temperaturas, debido al acoplamiento único entre las vibraciones electrónicas y de celosía en el sistema, y la influencia que tiene esta transición sobre la conductividad térmica.

Mientras realizaban su investigación en la línea de haz de neutrones del espectrómetro de triple eje de neutrones fríos (CTAX) en el Reactor de isótopos de alto flujo (HFIR) de ORNL, los científicos necesitaban alinear cristales grandes con un grado o dos de diferencia entre sí. Se encontraron con varios desafíos de ingeniería al diseñar su experimento, incluido el desarrollo de un portamuestras para colocar correctamente los cristales encapsulados dentro del haz de neutrones.

"El material se vuelve muy inestable, esencialmente comienza a evaporarse, en condiciones de vacío y en entornos de gas comunes, que suele ser la forma en que realizamos experimentos de alta temperatura, "dijo Jennifer Niedziela, espectroscopista vibracional en la dirección de Ingeniería y Ciencia Nuclear de ORNL y ex investigador postdoctoral en el grupo de Delaire. "Anticipando estos problemas, encerramos las muestras dentro de cápsulas de cuarzo para mantener una atmósfera controlada alrededor de la muestra, lo que nos permitió estudiar la dinámica de los fonones. Esto resalta otra ventaja de la dispersión de neutrones en el sentido de que podemos poner una gran cantidad de material en el camino del haz de neutrones, como el cuarzo, lana, y cables, y seguir viendo las señales que nos interesan ".

El diseño del portamuestras pasó por varias iteraciones para garantizar que los investigadores pudieran calentar la muestra de forma segura. Consultaron con expertos de la cristalería ORNL, que hizo la cápsula de cuarzo, y el laboratorio de entorno de muestra, así como expertos en materiales de alta temperatura, para asegurarse de que pudieran diseñar un soporte que cumpliera con los objetivos de los investigadores. Cada soporte tenía que estar diseñado para retener el cristal en una orientación fija y encajar dentro de un área relativamente pequeña en el entorno de la muestra de alta temperatura. Si la muestra se moviera, corrían el riesgo de provocar un cortocircuito en el horno y hacer que se apagara.

Los esfuerzos anteriores para resolver anchos de línea de fonones acústicos por debajo de 1,0 milielectronvoltio (meV) no tuvieron éxito debido a los límites de resolución de los instrumentos de neutrones empleados. Sin embargo, los neutrones fríos entregados por la línea de luz CTAX son adecuados para la medición de alta resolución de la dinámica de la red en sólidos cristalinos que tienen una alta relación señal / ruido, como materiales termoeléctricos. "Con el espectrómetro de tres ejes de CTAX, obtuvimos excelentes datos sobre el ancho de línea de fonones acústicos por debajo de 1.0 meV en un régimen de alta temperatura, "dijo Niedziela.

Las mediciones de dispersión de neutrones permitieron al grupo de investigación de Duke obtener poderosos conocimientos sobre los fenómenos microscópicos de transporte de calor en materiales que son importantes para las aplicaciones energéticas.