Le strutture di neutroni dell'Oak Ridge National Laboratory stanno aiutando gli scienziati nella ricerca per aumentare la potenza e l'efficienza dei materiali termoelettrici. Questi aumenti delle prestazioni potrebbero consentire usi più convenienti e pratici per i termoelettrici, con una più ampia adozione da parte del settore, per migliorare il risparmio di carburante nei veicoli, rendere più efficienti le centrali elettriche, e tecnologie avanzate alimentate a calore corporeo per orologi e smartphone.

Materiali termoelettrici, composti tipicamente metallici, può convertire il calore in elettricità e viceversa in presenza di un gradiente di temperatura, rendendoli ideali per applicazioni nel recupero del calore residuo.

I termoelettrici potrebbero capitalizzare enormi quantità di calore residuo inutilizzato prodotto da operazioni industriali, produzione di energia da combustibili fossili, Edifici commerciali, veicoli, e persino le persone convertendo quel calore "perso" in energia utilizzabile. Ma finora la loro applicazione è stata limitata alle tecnologie aggiuntive a causa della loro bassa efficienza rispetto alle forme convenzionali di generazione di energia.

Per raggiungere i benchmark fissati per i dispositivi termoelettrici autonomi, gli scienziati stanno ora esaminando più a fondo, fino agli atomi, materiali e metodi promettenti per aumentare i punteggi di efficienza.

Lavorando con un materiale a base di magnesio-antimonio, un team di ricerca internazionale guidato dal fisico Zhifeng Ren dell'Università di Houston ha dimostrato un sostanziale aumento del fattore di potenza della lega, o produzione totale di energia, con una tecnica chiamata ingegneria dei difetti. Sostituendo gli atomi di cobalto in siti strategici, i ricercatori hanno alterato il percorso degli elettroni in un modo che ha notevolmente migliorato la loro mobilità. L'analisi dei neutroni eseguita presso l'ORNL ha svolto un ruolo chiave nella verifica del successo del metodo.

I risultati, pubblicato in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , sono commercialmente rilevanti con una figura di merito, o valore ZT, di ~1,7 raggiunto in efficienza termoelettrica. Più significativo è l'aumento del fattore di potenza del materiale a temperatura ambiente con un salto record da 5 a 13 μW·cm ⁻¹ ·K ^-2 che ha più che raddoppiato la produzione totale di energia del materiale.

Il fattore di potenza risultante è lontano dal record di 106 a temperatura ambiente raggiunto da Ren e altri in precedenza, ma il metodo per potenziarlo potrebbe essere applicato a materiali superiori, in particolare quelli con un fattore di potenza già superiore a 100, per rendere ancora migliori i termoelettrici più efficienti.

L'approccio funziona modificando la struttura atomica del composto per superare una resistenza intrinseca nel flusso di elettroni che ha limitato il potenziale dei termoelettrici. A livello atomico, effetti termoelettrici si verificano quando i vettori, o elettroni, muoversi in risposta alla temperatura. Quando gli elettroni si muovono attraverso i materiali, interagiscono con gli atomi e si disperdono su un percorso tortuoso piuttosto che su un percorso diretto, che si traduce in una conversione energetica inefficiente.

Per produrre più calore o più potenza con i termoelettrici, la ricerca ha generalmente favorito due strade:aumentare il numero di vettori o aumentare la mobilità dei vettori. La progettazione di un materiale o la modifica di un materiale esistente per ospitare più elettroni è una soluzione, sebbene sia difficile modificare un materiale mantenendo le sue proprietà termoelettriche. Un'altra opzione, adottato dal gruppo di ricerca, è mettere a punto i materiali a livello atomico per spianare il percorso per il passaggio degli elettroni con meno resistenza, aumentando così il fattore di potenza del materiale.

L'obiettivo non è creare più spazio nei materiali, ma piuttosto per affinare le vibrazioni naturali degli atomi che regolano le loro interazioni con gli elettroni introducendo "difetti" che non sono naturalmente presenti. Posizionando strategicamente la giusta quantità di cobalto nella lega ottimizzata, i ricercatori sono in grado di disperdere gli elettroni nella lega in modo più efficiente.

"Questo è un modo sofisticato per migliorare il termoelettrico dal basso verso l'alto controllando il modo in cui gli elettroni si disperdono attraverso i materiali, " ha detto Clarina de la Cruz di ORNL, che ha collaborato allo studio.

In qualità di scienziato dello strumento per il diffrattometro a polvere di neutroni HB-2A presso il reattore isotopico ad alto flusso, de la Cruz ha condotto la ricerca sulla diffusione di neutroni per analizzare il Mg . drogato con cobalto ₃ Sb ₂ Materiale.

Un obiettivo chiave per i ricercatori era individuare le posizioni precise degli atomi di cobalto sostitutivi introdotti per verificare il loro ruolo come centri di diffusione degli elettroni. Il lavoro non sarebbe stato possibile senza l'uso dei neutroni e del loro unico, capacità non distruttive per l'osservazione della materia a livello atomico.

I neutroni erano essenziali a causa della complessità del materiale, ha spiegato de la Cruz. "Esaminare le sostituzioni strategiche sui metalli di transizione e identificare concentrazioni molto piccole di cobalto non è un compito da poco. Anche senza la sfida aggiuntiva delle sostituzioni, alcuni di questi elementi sono così vicini tra loro sulla tavola periodica che decifrarli con i raggi X o altri metodi è estremamente difficile. Hai davvero bisogno di neutroni per risolvere questo tipo di problema".

"La scienza dei neutroni è diventata parte integrante del ciclo per aumentare le prestazioni dei termoelettrici, " ha detto de la Cruz. "I ricercatori di tutto il mondo che stanno progettando nuovi materiali utilizzano le strutture per neutroni di ORNL per verificare e migliorare i loro risultati, in questo caso, alimentando la futura sicurezza energetica".

La ricerca è supportata in parte dal Centro di conversione dell'energia solare termica a stato solido, un Energy Frontier Research Center finanziato dal DOE Office of Science.

Articolo originariamente pubblicato in Notizie sui neutroni .