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Jun 15, 2023

움직이는 샘플을 이용한 중성자 스핀 에코 분광법

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 13051(2023) 이 기사 인용 224 액세스 1 Altmetric Metrics 세부 정보 중성자 스핀 에코 분광법은 고해상도 비탄성 중성자 산란입니다.

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 13051(2023) 이 기사 인용

224 액세스

1 알트메트릭

측정항목 세부정보

중성자 스핀 에코 분광법은 나노초 역학을 조사하는 고해상도 비탄성 중성자 산란 방법입니다. 이는 고분자 시스템의 원자 운동을 연구하는 데 매우 적합하며 점탄성에 대한 이해에 도움이 됩니다. 그러나 전단력을 받는 샘플이나 일반적으로 움직이는 샘플의 경우 도플러 산란을 고려해야 합니다. 우리는 회전하는 흑연 디스크의 도플러 산란으로 인해 측정된 위상 변이와 탈분극을 수치 및 분석 계산과 비교하고 탁월한 일치점을 찾습니다. 이를 통해 데이터 처리 중 도플러 산란을 고려할 수 있으며 중성자 스핀 에코 분광학을 사용하여 더 긴 푸리에 시간과 더 높은 전단 속도 및 Q 범위를 가능하게 하여 예를 들어 고전단 하에서 폴리머에 대한 연구를 가능하게 합니다.

중성자의 특정 특성은 재료 연구에 몇 가지 고유한 기능을 제공합니다. 중성자가 정지 질량을 갖고 있다는 사실은 nm 파장의 광자와 비교했을 때 상당히 낮은 에너지를 발생시킵니다. 결과적으로 중성자는 포논이나 분자 회전과 같은 저에너지 여기 연구뿐만 아니라 준탄성 산란이라고 불리는 확산을 통한 연구에 탁월한 프로브입니다1,2.

관심 있는 에너지 및 시간 규모에 따라 다양한 산란 방법을 사용할 수 있습니다. 최고의 에너지 분해능 또는 가장 긴 시간 척도는 중성자 스핀 에코(NSE) 분광계에서 도달하며 느린 역학을 연구하는 데 가장 적합합니다3. 낮은 에너지 외에도 중성자는 핵에 민감하므로 동위원소 교환을 통해 동일한 화학 원소로 만든 샘플에 대비를 도입할 수 있습니다. 중성자와 물질의 핵 상호작용의 또 다른 장점은 비일관성 산란이 나타나는 것인데, 이를 통해 추적자 입자를 도입하지 않고도 추적자 확산을 조사할 수 있습니다. NSE의 우수한 에너지 분해능과 결합된 이러한 사실은 재현 모델4 및 이에 대한 확장(예: 윤곽 길이 변동5 및 구속 해제6)과 같은 고분자 역학에 대한 이론을 실험적으로 검증하는 것을 가능하게 했습니다. 폴리머의 복잡하고 느린 역학은 유변학적 특성에 심각한 영향을 미치고 점탄성을 초래합니다(예: 전단 속도에 따라 달라지는 점도). 그러나 지금까지 NSE 실험은 거의 전적으로 정지 상태의 샘플에 대해 수행되었지만 점탄성을 완전히 이해하려면 전단 하의 분자 역학에 대한 자세한 이해가 필요하며 컴퓨터 시뮬레이션은 높은 전단 속도에 노출된 폴리머의 중간 산란 기능의 변화를 나타냅니다(Weissenberg). 1)7보다 큰 수(Wi).

NSE와 달리 중성자 소각 산란(SANS)은 일상적인 방식으로 수행됩니다. Rheo-SANS는 재료의 거시적 및 미시적 거동에 대한 정보를 제공할 수 있는 강력한 기술입니다. 거시적 규모에서 유변학 측정은 전단 계수 및 점도와 같은 재료의 점탄성 특성에 대한 정보를 제공합니다. 미세한 규모에서 SANS는 입자의 크기 및 분포, 분자 사슬의 형태 및 자가 조립과 같은 물질의 나노 구조에 대한 정보를 제공합니다. Rheo-SANS는 이 두 가지 기술을 결합하여 재료의 미세 구조 특성이 거시적 흐름 거동에 어떻게 영향을 미치는지, 그 반대의 경우도 밝혀낼 수 있습니다8. 유변학적 실험에서 전단은 종종 쿠에트(Couette) 또는 원뿔판 형상에 적용됩니다. 원뿔형 구조는 폴리머 용융물과 같은 고점도 시료에 적합합니다.

중성자 속도 정도의 샘플 속도인 경우, 도플러 산란은 회전 결정을 사용한 회절 실험과 중성자 운동량 전달 Q에 평행하게 비행하는 에어로졸 방울에 대한 SANS 연구에서 볼 수 있듯이 중성자 산란 각도의 변화를 일으킬 수 있습니다. 중성자와 같은 속도10. 일반적인 유변학 실험의 경우 샘플 속도 \(v_s\)는 m/s 정도이므로 약 300m/s인 중성자 속도 \(v_n\)보다 상당히 느리며 산란 각도의 변화는 예상되지 않습니다. 그러나 고해상도 비탄성 중성자 산란은 중성자 에너지의 약 1% 또는 그 이하의 에너지 변화를 감지할 수 있으므로 중성자 후방 산란11 및 NSE ​​분광학12에서 볼 수 있듯이 상대적으로 느린 속도에서 도플러 산란에 민감합니다. 전단 액체에 대한 13 및 초전도체의 이동 자속선 격자에 대한 NSE에 의한 것입니다. 전단 하에서 분자 동역학을 연구하려면 도플러 산란을 알아야 하며, 준탄성 산란의 경우 분자 동역학이 도플러 산란 및 고분자 미셀 확산도의 이방성에 관계없이 스펙트럼의 날개에서 추출될 수 있음이 나타났습니다. 전단16,17로 보고되었습니다.