I dispositivi termoelettrici sono altamente versatili, con la capacità di convertire il calore in elettricità, ed elettricità in calore. Sono piccoli, leggero, ed estremamente resistenti perché non hanno parti in movimento, ecco perché sono stati usati per alimentare le navicelle spaziali della NASA in missioni a lungo termine, comprese le sonde spaziali Voyager lanciate nel 1977.

Poiché l'applicazione di una corrente elettrica a un termoelettrico fa sì che le particelle cariche diffondano dal lato caldo del materiale al loro lato freddo, sono ampiamente utilizzati nelle applicazioni di raffreddamento per estrarre il calore dai sistemi, come nelle pompe di calore, dispositivi in ​​fibra ottica, e seggiolini auto e per controllare la temperatura dei pacchi batteria. Il processo è anche reversibile e può recuperare efficacemente il "calore disperso" per generare elettricità utile da superfici calde, come il tubo di scappamento di un veicolo.

Nonostante la loro versatilità e affidabilità, l'utilizzo della tecnologia termoelettrica in molte applicazioni rimane una sfida, a causa del loro costo relativamente elevato e dell'inefficienza rispetto ai tradizionali sistemi di alimentazione e riscaldamento o raffreddamento. Per la massima efficienza, i termoelettrici devono essere sia buoni conduttori di elettricità che cattivi conduttori di calore, proprietà che raramente si trovano nello stesso materiale.

Gli ingegneri della Duke University stanno utilizzando tecniche di diffusione di neutroni a freddo (a bassa energia) presso l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) per studiare i moti vibrazionali degli atomi, chiamati "fononi, " che è il modo in cui il calore si propaga attraverso i materiali termoelettrici. Comprendendo come i fononi si muovono e sono dispersi all'interno dei materiali termoelettrici, gli scienziati sperano di controllare eventualmente il trasporto di fononi ed elettroni per migliorare la conduttività elettrica riducendo al minimo il flusso di calore.

"Stiamo usando i neutroni per studiare i materiali termoelettrici, perché possiamo sintonizzare le loro energie per abbinare l'energia inferiore dei fononi, che fornisce una risoluzione maggiore, " ha detto Tyson Lanigan-Atkins, un dottorato di ricerca studente presso Duke, in un gruppo che lavorava sotto Olivier Delaire, professore associato di ingegneria meccanica e scienza dei materiali. "I neutroni ci consentono inoltre di condurre ricerche in ambienti campione più complessi, come l'incapsulamento personalizzato che utilizziamo in un ambiente ad alta temperatura."

Tra i materiali termoelettrici utilizzati negli esperimenti c'era un singolo cristallo di seleniuro di piombo, che è stata una delle prime leghe studiate e commercializzate per generatori termoelettrici. Gli scienziati erano interessati alla transizione di fase strutturale del materiale ad alte temperature, grazie all'accoppiamento unico tra le vibrazioni elettroniche e reticolari nel sistema, e l'influenza che questa transizione ha sulla conduttività termica.

Mentre conducevano la loro ricerca presso lo spettrometro a tre assi di neutroni freddi (CTAX) presso l'High Flux Isotope Reactor (HFIR) dell'ORNL, gli scienziati avevano bisogno di allineare grandi cristalli a un grado o due l'uno dall'altro. Hanno incontrato diverse sfide ingegneristiche nella progettazione del loro esperimento, compreso lo sviluppo di un supporto per campioni per posizionare correttamente i cristalli incapsulati all'interno del fascio di neutroni.

"Il materiale diventa molto instabile, essenzialmente inizia ad evaporare, in condizioni di vuoto e in ambienti gassosi comuni, che è tipicamente il modo in cui eseguiamo esperimenti ad alta temperatura, "ha detto Jennifer Niedziela, uno spettroscopista vibrazionale nella direzione della scienza e dell'ingegneria nucleare dell'ORNL ed ex ricercatore post-dottorato nel gruppo di Delaire. "Anticipando questi problemi, abbiamo racchiuso i campioni all'interno di capsule di quarzo per mantenere un'atmosfera controllata attorno al campione, che ci ha permesso di studiare la dinamica dei fononi. Ciò evidenzia un altro vantaggio della diffusione di neutroni in quanto possiamo mettere molto materiale nel percorso del raggio di neutroni, come quarzo, lana, e fili, e vedere ancora i segnali che ci interessano."

Il design del supporto del campione ha attraversato diverse iterazioni per garantire che i ricercatori potessero riscaldare il campione in sicurezza. Si sono consultati con esperti presso il negozio di vetro ORNL, che ha fatto la capsula di quarzo, e il laboratorio dell'ambiente del campione, nonché esperti in materiali ad alta temperatura, per garantire che potessero progettare un supporto che soddisfi gli obiettivi dei ricercatori. Ciascun supporto doveva essere progettato per mantenere il cristallo in un orientamento fisso e adattarsi a un'area relativamente piccola nell'ambiente del campione ad alta temperatura. Se il campione dovesse spostarsi, rischiavano di mandare in cortocircuito il forno e di farlo spegnere.

Gli sforzi precedenti per risolvere larghezze di riga dei fononi acustici inferiori a 1,0 milli-elettronvolt (meV) non hanno avuto successo a causa dei limiti di risoluzione degli strumenti a neutroni impiegati. Però, i neutroni freddi forniti dalla linea di luce CTAX sono adatti per la misurazione ad alta risoluzione della dinamica reticolare in solidi cristallini che hanno un elevato rapporto segnale-rumore, come i materiali termoelettrici. "Utilizzando lo spettrometro a tre assi di CTAX, abbiamo ottenuto ottimi dati sulla larghezza di riga dei fononi acustici al di sotto di 1,0 meV in regime di alta temperatura, " disse Niedziela.

Le misurazioni della diffusione dei neutroni hanno permesso al gruppo di ricerca Duke di ottenere risultati unici, potenti intuizioni sui fenomeni microscopici di trasporto del calore in materiali importanti per le applicazioni energetiche.