Las sondas de neutrones de la construcción atómica y la dinámica de los suministros termoeléctricos a base de estaño desentrañaron el mecanismo microscópico de su baja conductividad térmica. Puntaje de crédito: Laboratorio Nacional de Oak Ridge
Revelando el mecanismo atómico detrás del transporte de calor termoeléctrico.
La ciencia
Las unidades termoeléctricas convierten la energía térmica en energía eléctrica generando un voltaje a partir del diferencial de temperatura entre las secciones fría y caliente de una herramienta. Los investigadores utilizaron neutrones para estudiar monocristales de sulfuro de estaño y seleniuro de estaño para comprender mejor cómo se produce el proceso de conversión a escala atómica. Midieron modificaciones que habían sido dependientes de la temperatura. Las pruebas encontraron una fuerte conexión entre los cambios estructurales a diferentes temperaturas y la frecuencia de las vibraciones atómicas (fonones).
Esta conexión influye en cómo los suministros llevan el calor. La investigación también reconoció las temperaturas perfectas para la conversión de energía. Además, ofreció conocimientos científicos elementales que podrían usarse para ayudar a los investigadores a crear nuevos suministros con una eficiencia termoeléctrica mejorada.
La influencia
Los suministros termoeléctricos son esenciales para una experiencia de vitalidad clara. Los investigadores utilizaron la dispersión de neutrones para descubrir detalles sobre el mecanismo de renormalización de fonones. Ese es el curso de mecánica cuántica que explica la conductividad térmica terriblemente baja de dos suministros termoeléctricos comunes. Los hallazgos pueden ayudar a los investigadores a desarrollar materiales para unidades termoeléctricas más amigables con el medio ambiente. También debería ayudar a mejorar la experiencia de conversión de energía renovable.
Resumen
Los termoeléctricos convierten la vitalidad térmica en energía eléctrica. Se encuentran entre los muchos combinados de ciencias aplicadas de la energía no contaminadas que pueden mitigar la influencia del cambio climático local. Un problema principal con la termoeléctrica es su eficiencia comparativamente baja y la variedad limitada de suministros disponibles. Para diseñar suministros de mayor eficiencia, los científicos necesitan una comprensión básica del mecanismo que permite una conductividad térmica ultrabaja.
Para resolver este rompecabezas científico de larga data, investigadores de duque universidad empleó experimentos de dispersión de neutrones, complementados con diferentes estrategias, para probar los suministros termoeléctricos arquetípicos, estaño (Sn) cristalizado con azufre (S) y selenio (Se) en binarios: SnS y SnSe.
Al utilizar los dispositivos superiores de dispersión de neutrones en el suministro de neutrones por espalación y el reactor de isótopos de flujo excesivo, División de Vitalidad (DOE) servicios personales en Laboratorio Nacional de Oak RidgeLos cambios estructurales y los espectros de fonones se midieron en un amplio rango de temperatura de 150 K a 1050 K, lo que revela una transición a 800 K, donde los espacios atómicos se amplían en un camino pero se contraen en otros.
La medición de la dinámica también proporcionó datos clave sobre la reducción drástica de las frecuencias de las vibraciones atómicas en la transición, lo que es responsable de la disminución de la conducción del calor. El trabajo también significa que la conducta de fonones observada podría estar presente en muchos otros suministros con transiciones de sección similares, como perovskitas de haluro, ferroeléctricos de óxido o termoeléctricos cercanos a las inestabilidades, lo que amplía considerablemente el grupo de posibilidades para los suministros de conversión de energía.
Referencia: “Colapso anarmónico prolongado de las dispersiones de fonones en SnS y SnSe” por T. Lanigan-Atkins, S. Yang, JL Niedziela, D. Bansal, AF Could, AA Puretzky, JYY Lin, DM Pajerowski, T. Hong, S. Chi, G. Ehlers y O. Delaire, 4 de septiembre de 2020, DOI: 10.1038/s41467-020-18121-4
The study was funded by the US Department of Energy’s Office of Science, Basic Energy Sciences, Materials Sciences, and Engineering Division. The research also used the US Department of Energy’s Office of Science user facilities.
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