Difração de nêutrons - Neutron diffraction

Uma técnica de imagem conhecida como difração de nêutrons, usada junto com simulações moleculares, revelou que um domínio de detecção de voltagem de canais de íons (molécula vermelha, amarela e azul no centro) perturba a membrana celular de duas camadas que a envolve (superfícies amarelas), causando a membrana para diluir ligeiramente.

A difração de nêutrons ou espalhamento elástico de nêutrons é a aplicação do espalhamento de nêutrons para a determinação da estrutura atômica e / ou magnética de um material. Uma amostra a ser examinada é colocada em um feixe de nêutrons térmicos ou frios para obter um padrão de difração que fornece informações da estrutura do material. A técnica é semelhante à difração de raios-X, mas devido às suas diferentes propriedades de espalhamento, nêutrons e raios-X fornecem informações complementares: Raios-X são adequados para análise superficial, raios-X fortes de radiação síncrotron são adequados para profundidades rasas ou espécimes finos , enquanto nêutrons com alta profundidade de penetração são adequados para amostras em massa.

Requisitos instrumentais e de amostra

A técnica requer uma fonte de nêutrons. Os nêutrons são geralmente produzidos em um reator nuclear ou fonte de fragmentação . Em um reator de pesquisa , outros componentes são necessários, incluindo um monocromador de cristal , bem como filtros para selecionar o comprimento de onda de nêutrons desejado. Algumas partes da configuração também podem ser móveis. Em uma fonte de fragmentação, a técnica de tempo de voo é usada para classificar as energias dos nêutrons incidentes (nêutrons de energia mais alta são mais rápidos), então nenhum monocromador é necessário, mas sim uma série de elementos de abertura sincronizados para filtrar pulsos de nêutrons com o comprimento de onda desejado .

A técnica é mais comumente realizada como difração de pó , que requer apenas um pó policristalino. O trabalho de cristal único também é possível, mas os cristais devem ser muito maiores do que aqueles que são usados ​​na cristalografia de raios-X de cristal único . É comum usar cristais com cerca de 1 mm 3 .

A técnica também requer um dispositivo que pode detectar os nêutrons depois que eles foram espalhados.

Resumindo, a principal desvantagem da difração de nêutrons é a necessidade de um reator nuclear. Para o trabalho com um único cristal, a técnica requer cristais relativamente grandes, que geralmente são difíceis de crescer. As vantagens da técnica são muitas - sensibilidade aos átomos de luz, capacidade de distinguir isótopos, ausência de danos por radiação, bem como uma profundidade de penetração de vários cm

Espalhamento nuclear

Como todas as partículas quânticas , os nêutrons podem exibir fenômenos de onda tipicamente associados à luz ou som. A difração é um desses fenômenos; ocorre quando as ondas encontram obstáculos cujo tamanho é comparável ao comprimento de onda . Se o comprimento de onda de uma partícula quântica for curto o suficiente, os átomos ou seus núcleos podem servir como obstáculos de difração. Quando um feixe de nêutrons emanando de um reator é desacelerado e selecionado adequadamente por sua velocidade, seu comprimento de onda fica próximo a um angstrom (0,1 nanômetro ), a separação típica entre átomos em um material sólido. Esse feixe pode então ser usado para realizar um experimento de difração. Incidindo em uma amostra cristalina, ele se espalhará sob um número limitado de ângulos bem definidos, de acordo com a mesma lei de Bragg que descreve a difração de raios-X.

Nêutrons e raios-X interagem com a matéria de maneira diferente. Os raios X interagem principalmente com a nuvem de elétrons que envolve cada átomo. A contribuição para a intensidade dos raios X difratados é, portanto, maior para átomos com maior número atômico (Z) . Por outro lado, os nêutrons interagem diretamente com o núcleo do átomo, e a contribuição para a intensidade difratada depende de cada isótopo ; por exemplo, o hidrogênio regular e o deutério contribuem de maneira diferente. Também é comum que átomos leves (Z baixo) contribuam fortemente para a intensidade difratada, mesmo na presença de átomos Z grandes. O comprimento de espalhamento varia de isótopo para isótopo, em vez de linearmente com o número atômico. Um elemento como o vanádio espalha fortemente os raios X, mas seus núcleos dificilmente espalham nêutrons, razão pela qual ele é freqüentemente usado como um material de contêiner. A difração de nêutrons não magnéticos é diretamente sensível às posições dos núcleos dos átomos.

Os núcleos dos átomos, a partir dos quais os nêutrons se espalham, são minúsculos. Além disso, não há necessidade de um fator de forma atômico para descrever a forma da nuvem de elétrons do átomo e o poder de espalhamento de um átomo não diminui com o ângulo de espalhamento como acontece com os raios-X. Os difratogramas, portanto, podem mostrar picos de difração fortes e bem definidos, mesmo em ângulos altos, particularmente se o experimento for feito em baixas temperaturas. Muitas fontes de nêutrons são equipadas com sistemas de resfriamento de hélio líquido que permitem a coleta de dados em temperaturas de até 4,2 K. A excelente informação de alto ângulo (isto é, alta resolução ) significa que as posições atômicas na estrutura podem ser determinadas com alta precisão. Por outro lado, os mapas de Fourier (e em menor extensão os mapas de Fourier de diferença ) derivados de dados de nêutrons sofrem de erros de terminação de série, às vezes tanto que os resultados são insignificantes.

Espalhamento magnético

Embora os nêutrons não estejam carregados, eles carregam um momento magnético e, portanto, interagem com os momentos magnéticos, incluindo aqueles que surgem da nuvem de elétrons ao redor de um átomo. A difração de nêutrons pode, portanto, revelar a estrutura magnética microscópica de um material.

O espalhamento magnético requer um fator de forma atômico , pois é causado pela nuvem de elétrons muito maior ao redor do minúsculo núcleo. A intensidade da contribuição magnética para os picos de difração, portanto, diminuirá para ângulos mais altos.

Usos

A difração de nêutrons pode ser usada para determinar o fator de estrutura estática de gases , líquidos ou sólidos amorfos . A maioria dos experimentos, entretanto, visa a estrutura de sólidos cristalinos, tornando a difração de nêutrons uma importante ferramenta da cristalografia .

A difração de nêutrons está intimamente relacionada à difração de pó de raios- X . Na verdade, a versão de cristal único da técnica é menos comumente usada porque as fontes de nêutrons disponíveis atualmente requerem amostras relativamente grandes e grandes cristais únicos são difíceis ou impossíveis de encontrar para a maioria dos materiais. Desenvolvimentos futuros, no entanto, podem mudar esse quadro. Como os dados são normalmente um difractograma de pó 1D, eles geralmente são processados ​​usando o refinamento de Rietveld . Na verdade, o último encontrou sua origem na difração de nêutrons (em Petten, na Holanda) e foi posteriormente estendido para uso em difração de raios-X.

Uma aplicação prática do espalhamento / difração de nêutrons elásticos é que a constante de rede de metais e outros materiais cristalinos pode ser medida com muita precisão. Juntamente com um microposicionador alinhado com precisão, um mapa da constante de rede através do metal pode ser derivado. Isso pode ser facilmente convertido para o campo de tensão experimentado pelo material. Isso foi usado para analisar tensões em componentes aeroespaciais e automotivos , para dar apenas dois exemplos. A alta profundidade de penetração permite medir tensões residuais em componentes a granel como virabrequins, pistões, trilhos, engrenagens. Essa técnica levou ao desenvolvimento de difratômetros de tensão dedicados, como o instrumento ENGIN-X na fonte de nêutrons ISIS .

A difração de nêutrons também pode ser empregada para fornecer informações sobre a estrutura 3D de qualquer material que difrata.

Outro uso é para a determinação do número de solvatação de pares de íons em soluções de eletrólitos.

O efeito de espalhamento magnético tem sido usado desde o estabelecimento da técnica de difração de nêutrons para quantificar momentos magnéticos em materiais e estudar a orientação e estrutura do dipolo magnético. Uma das primeiras aplicações da difração de nêutrons foi no estudo das orientações do dipolo magnético em óxidos de metais de transição antiferromagnéticos , como óxidos de manganês, ferro, níquel e cobalto. Esses experimentos, realizados pela primeira vez por Clifford Shull, foram os primeiros a mostrar a existência do arranjo antiferromagnético de dipolos magnéticos em uma estrutura material. Agora, a difração de nêutrons continua a ser usada para caracterizar materiais magnéticos recentemente desenvolvidos.

Hidrogênio, dispersão nula e variação de contraste

A difração de nêutrons pode ser usada para estabelecer a estrutura de materiais de baixo número atômico, como proteínas e surfactantes, muito mais facilmente com fluxo mais baixo do que em uma fonte de radiação síncrotron. Isso ocorre porque alguns materiais de baixo número atômico têm uma seção transversal mais alta para interação de nêutrons do que materiais de peso atômico mais alto.

Uma grande vantagem da difração de nêutrons sobre a difração de raios-X é que o último é bastante insensível à presença de hidrogênio (H) em uma estrutura, enquanto os núcleos 1 H e 2 H (ou seja , Deutério , D) são fortes dispersores de nêutrons. O maior poder de espalhamento de prótons e deuterons significa que a posição do hidrogênio em um cristal e seus movimentos térmicos podem ser determinados com maior precisão por difração de nêutrons. As estruturas dos complexos de hidretos metálicos , por exemplo, Mg 2 FeH 6 , foram avaliadas por difração de nêutrons.

Os comprimentos de espalhamento de nêutrons b H = −3,7406 (11) fm e b D = 6,671 (4) fm, para H e D respectivamente, têm sinal oposto, o que permite que a técnica os diferencie. Na verdade, há uma razão de isótopos específica para a qual a contribuição do elemento seria cancelada, isso é chamado de espalhamento nulo.

É indesejável trabalhar com a concentração relativamente alta de H em uma amostra. A intensidade de espalhamento por núcleos H tem um grande componente inelástico, que cria um grande fundo contínuo que é mais ou menos independente do ângulo de espalhamento. O padrão elástico normalmente consiste em reflexos de Bragg nítidos se a amostra for cristalina. Eles tendem a se afogar no fundo inelástico. Isso é ainda mais sério quando a técnica é usada para o estudo da estrutura de líquidos. No entanto, ao preparar amostras com diferentes razões de isótopos, é possível variar o contraste de espalhamento o suficiente para destacar um elemento em uma estrutura de outra forma complicada. A variação de outros elementos é possível, mas geralmente bastante cara. O hidrogênio é barato e particularmente interessante, porque desempenha um papel excepcionalmente grande nas estruturas bioquímicas e é difícil de estudar estruturalmente de outras maneiras.

História

Os primeiros experimentos de difração de nêutrons foram realizados em 1945 por Ernest O. Wollan usando o Reator de Grafite em Oak Ridge . Ele se juntou a ele logo depois (junho de 1946) por Clifford Shull , e juntos eles estabeleceram os princípios básicos da técnica e a aplicaram com sucesso a muitos materiais diferentes, abordando problemas como a estrutura do gelo e os arranjos microscópicos dos momentos magnéticos nos materiais. Por essa conquista, Shull recebeu metade do Prêmio Nobel de Física de 1994 . (Wollan morreu em 1984). (A outra metade do Prêmio Nobel de Física de 1994 foi para Bert Brockhouse pelo desenvolvimento da técnica de espalhamento inelástico nas instalações de Chalk River da AECL . Isso também envolveu a invenção do espectrômetro de eixo triplo). O atraso entre o trabalho realizado (1946) e o Prêmio Nobel concedido a Brockhouse e Shull (1994) aproxima-os do atraso entre a invenção do microscópio eletrônico por Ernst Ruska (1933) - também no campo da óptica de partículas - e seu próprio prêmio Nobel (1986). Isso, por sua vez, é próximo ao recorde de 55 anos entre as descobertas de Peyton Rous e sua concessão do Prêmio Nobel em 1966.

Veja também

Referências

Leitura adicional

  • Lovesey, SW (1984). Teoria da dispersão de nêutrons da matéria condensada; Volume 1: Dispersão de Nêutrons . Oxford: Clarendon Press . ISBN 0-19-852015-8.
  • Lovesey, SW (1984). Teoria da dispersão de nêutrons da matéria condensada; Volume 2: Matéria condensada . Oxford: Clarendon Press. ISBN 0-19-852017-4.
  • Squires, GL (1996). Introdução à Teoria da Dispersão de Nêutrons Térmicos (2ª ed.). Mineola, Nova York: Dover Publications Inc. ISBN 0-486-69447-X.
  • Young, RA, ed. (1993). O Método Rietveld . Oxford: Oxford University Press & International Union of Crystallography. ISBN 0-19-855577-6.

links externos