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Jun 15, 2023

移動サンプルによる中性子スピンエコー分光法

Scientific Reports volume 13、記事番号: 13051 (2023) この記事を引用 224 アクセス 1 Altmetric Metrics の詳細 中性子スピンエコー分光法は、高解像度の非弾性中性子散乱です

Scientific Reports volume 13、記事番号: 13051 (2023) この記事を引用

224 アクセス

1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

中性子スピンエコー分光法は、ナノ秒ダイナミクスを調査する高分解能非弾性中性子散乱法です。 これはポリマー系の原子運動を研究するのに適しており、粘弾性の理解に貢献します。 ただし、せん断下にあるサンプル、または一般に移動するサンプルの場合は、ドップラー散乱を考慮する必要があります。 回転するグラファイトディスクからのドップラー散乱による測定された位相シフトと偏光解消を数値計算および解析計算と比較し、優れた一致を発見しました。 これにより、データ処理中にドップラー散乱を考慮できるようになり、中性子スピンエコー分光法でより長いフーリエ時間、より高いせん断速度と Q 範囲が可能になり、たとえば高せん断下でのポリマーの研究が可能になります。

中性子の特有の性質は、材料の研究にいくつかのユニークな特徴をもたらします。 中性子には静止質量があるという事実により、nm 波長の光子と比較してエネルギーが大幅に低くなります。 その結果、中性子は、準弾性散乱と呼ばれる拡散の研究だけでなく、フォノンや分子回転などの低エネルギー励起の研究にも優れたプローブとなります1,2。

対象となるエネルギーと時間スケールに応じて、さまざまな散乱方法が利用可能です。 中性子スピンエコー (NSE) 分光計では最高のエネルギー分解能または最長の時間スケールが得られ、低速ダイナミクスの研究に最適です3。 低エネルギーに加えて、中性子は原子核に対して敏感であるため、同位体交換により、同じ化学元素から作られたサンプルにコントラストを導入することができます。 中性子と物質との核相互作用のもう 1 つの利点は、インコヒーレント散乱が現れることです。これにより、トレーサー粒子を導入することなくトレーサー拡散の調査が可能になります。 これらの事実と NSE の優れたエネルギー分解能を組み合わせることで、レプテーション モデル 4 やその拡張 (輪郭長変動 5 や拘束解放 6 など) などのポリマー動力学に関する理論を実験的に検証することが可能になりました。 ポリマーの複雑で遅い力学は、そのレオロジー特性に深刻な影響を与え、その結果、粘弾性、たとえばせん断速度に依存する粘度が生じます。 しかし、これまで NSE 実験は静止サンプルに対してほぼ独占的に行われていましたが、粘弾性を完全に理解するにはせん断下の分子動力学を詳細に理解する必要があり、コンピューター シミュレーションでは高せん断速度にさらされたポリマーの中間散乱関数の変化が示されています (Weissenberg １より大きい数（Ｗｉ）７．

NSE とは対照的に、中性子小角散乱 (SANS) は日常的な方法で行われます。 Rheo-SANS は、材料の巨視的挙動と微視的挙動の両方に関する情報を提供できる強力な技術です。 巨視的スケールでは、レオロジー測定により、材料のせん断弾性率や粘度などの粘弾性特性に関する情報が得られます。 顕微鏡スケールでは、SANS は粒子のサイズや分布、分子鎖の構造や自己集合など、材料のナノスケール構造に関する情報を提供します。 これら 2 つの技術を組み合わせることで、Rheo-SANS は、材料の微細構造特性がその巨視的流動挙動にどのような影響を与えるか、またその逆の影響を明らかにすることができます8。 レオロジー実験では、せん断はクエットまたはコーンプレート形状のいずれかに適用されることがよくあります。 コーンプレート形状は、ポリマー溶融物などの高粘度サンプルに適しています。

サンプル速度が中性子速度と同程度の場合、ドップラー散乱は、回転結晶を使用した回折実験9や、中性子の運動量移動 Q と平行に飛行するエアロゾル液滴に関する SANS 研究で示されているように、中性子散乱角の変化を引き起こす可能性があります。中性子と同じ速度10。 一般的なレオロジー実験では、サンプル速度 \(v_s\) は m/s 程度であるため、約 300 m/s の中性子の速度 \(v_n\) よりも大幅に遅く、散乱角の変化は予想されません。 ただし、高分解能非弾性中性子散乱は、中性子エネルギーの約 1%、またはそれ以下のエネルギー変化を検出できるため、中性子後方散乱 11 および NSE 分光法 12 で示されるように、これらの比較的遅い速度でのドップラー散乱の影響を受けやすくなります。せん断された液体に関する13と、超伝導体内の移動する磁束線格子に関するNSEによる14。 せん断下での分子動力学を研究するには、ドップラー散乱を知る必要があり、準弾性散乱については、ドップラー散乱やポリマーミセルの拡散率の異方性に関係なく、分子動力学をスペクトルの翼から抽出できることが示されました15,16。せん断力の下で報告されました16,17。