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Jun 15, 2023

Spettroscopia Spin Echo di neutroni con campione in movimento

Scientific Reports volume 13, Articolo numero: 13051 (2023) Cita questo articolo 224 Accessi 1 Altmetric Metrics dettagli La spettroscopia con spin echo di neutroni è uno scattering anelastico di neutroni ad alta risoluzione

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13051 (2023) Citare questo articolo

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La spettroscopia di eco spin di neutroni è un metodo di diffusione anelastica di neutroni ad alta risoluzione che sonda la dinamica dei nanosecondi. È particolarmente adatto per studiare il movimento atomistico nei sistemi polimerici e contribuisce alla nostra comprensione della viscoelasticità. Tuttavia, per i campioni sottoposti a taglio o per i campioni in movimento in generale, è necessario considerare la diffusione Doppler. Confrontiamo lo sfasamento e la depolarizzazione misurati dovuti allo scattering Doppler da un disco di grafite rotante con calcoli numerici e analitici e troviamo un eccellente accordo. Ciò consente di tenere conto dello scattering Doppler durante l'elaborazione dei dati e rende possibili tempi di Fourier più lunghi nonché velocità di taglio e intervalli Q più elevati con la spettroscopia eco di spin di neutroni, consentendo ad esempio lo studio di polimeri sottoposti a taglio elevato.

Le proprietà specifiche dei neutroni offrono diverse caratteristiche uniche per lo studio dei materiali. Il fatto che il neutrone abbia una massa a riposo comporta un'energia significativamente inferiore rispetto ai fotoni con lunghezza d'onda nm. Di conseguenza i neutroni sono un'eccellente sonda per lo studio delle eccitazioni a bassa energia, come i fononi o le rotazioni molecolari, nonché per lo studio della diffusione tramite il cosiddetto scattering quasi elastico1,2.

A seconda delle scale energetiche e temporali di interesse sono disponibili diversi metodi di diffusione. La migliore risoluzione energetica o le scale temporali più lunghe vengono raggiunte sugli spettrometri Neutron Spin Echo (NSE) e sono più adatti per studiare la dinamica lenta3. Oltre alla bassa energia, il neutrone è sensibile al nucleo e quindi lo scambio isotopico consente di introdurre contrasto in un campione costituito dagli stessi elementi chimici. Un altro vantaggio dell'interazione nucleare dei neutroni con la materia è la comparsa di uno scattering incoerente, che consente lo studio della diffusione del tracciante senza dover introdurre particelle traccianti. Questi fatti, combinati con l'eccellente risoluzione energetica dell'NSE, hanno permesso di verificare sperimentalmente le teorie sulla dinamica dei polimeri, come il modello di reptazione4 e le sue estensioni, ad esempio le fluttuazioni della lunghezza del contorno5 e il rilascio vincolato6. La complessa e lenta dinamica dei polimeri ha un forte impatto sulle loro proprietà reologiche e determina viscoelasticità, ad esempio una viscosità che dipende dalla velocità di taglio. Tuttavia, fino ad ora gli esperimenti NSE sono stati eseguiti quasi esclusivamente su campioni a riposo, mentre è necessaria una comprensione dettagliata della dinamica molecolare sotto taglio per comprendere appieno la viscoelasticità e le simulazioni al computer indicano cambiamenti nella funzione di scattering intermedio dei polimeri esposti ad elevate velocità di taglio (Weissenberg numero (Wi) maggiore di 1)7.

A differenza dello scattering di neutroni a piccolo angolo (SANS) NSE viene eseguito in modo routinario. Rheo-SANS è una tecnica potente in grado di fornire informazioni sul comportamento sia macroscopico che microscopico dei materiali. Su scala macroscopica, le misurazioni reologiche forniscono informazioni sulle proprietà viscoelastiche del materiale, come il modulo di taglio e la viscosità. Su scala microscopica, SANS fornisce informazioni sulla struttura nanoscopica del materiale, come la dimensione e la distribuzione delle particelle o la conformazione e l'autoassemblaggio delle catene molecolari. Combinando queste due tecniche, Rheo-SANS può rivelare come le proprietà microstrutturali di un materiale influenzano il suo comportamento di flusso macroscopico e viceversa8. Negli esperimenti reologici il taglio viene spesso applicato in una geometria Couette o cono-piastra. La geometria cono-piastra è preferibile per campioni ad alta viscosità, come i polimeri fusi.

In caso di velocità del campione dell'ordine della velocità dei neutroni, lo scattering Doppler può generare un cambiamento dell'angolo di diffusione dei neutroni, come mostrato negli esperimenti di diffrazione utilizzando un cristallo rotante9 e negli studi SANS su goccioline di aerosol che volano parallelamente al trasferimento della quantità di moto dei neutroni, Q, nel punto stessa velocità dei neutroni10. Per tipici esperimenti di reologia la velocità del campione \(v_s\) è dell'ordine di m/s e quindi significativamente più lenta della velocità del neutrone \(v_n\) di circa 300 m/s e non sono previste variazioni dell'angolo di diffusione. Tuttavia, la diffusione anelastica di neutroni ad alta risoluzione è in grado di rilevare cambiamenti di energia dell'ordine dell'1% dell'energia dei neutroni, o anche al di sotto di tale valore, ed è quindi sensibile alla diffusione Doppler a queste velocità relativamente basse, come mostrato con la retrodiffusione di neutroni11 e la spettroscopia NSE12, 13 sui liquidi tagliati e da NSE sui reticoli di linee di flusso in movimento in un superconduttore14. Per studiare la dinamica molecolare sotto taglio è necessario conoscere lo scattering Doppler e per lo scattering quasielastico è stato dimostrato che la dinamica molecolare può essere estratta dalle ali dello spettro15,16 indipendentemente dallo scattering Doppler e dall'anisotropia nella diffusività delle micelle polimeriche è stato riportato sotto taglio16,17.