Introducción a la estafatura de Neutron en investigación de polímeros

Comprender la estructura de los materiales polímeros a nivel molecular es esencial para adaptar sus propiedades macroscópicas. Durante las últimas décadas, las técnicas de dispersión de neutrones han surgido como herramientas indispensables para el probing del arreglo, el embalaje y la dinámica de las cadenas de polímeros. A diferencia de los rayos X o los electrones, los neutrones interactúan débilmente con la materia, permitiendo una penetración profunda sin dañar los delicados sampleuters orgánicos.

Fundamentos de la estafatura de Neutron

Interacciones Neutron con Matter

Los neutrones son partículas sin carga con una masa similar a la de un protón. Interaccionan con núcleos atómicos a través de la fuerza nuclear fuerte y con electrones no apareados a través de momentos magnéticos. Para la mayoría de los estudios polímeros, la interacción nuclear domina. Debido a que la longitud de dispersión (una medida de la fuerza de interacción) varía irregularmente a través de elementos e incluso isótotópicos, los científicos pueden explotar la substitución isotópica

Elástico contra el estafador inelástico

Los experimentos de dispersión de neutrones se clasifican ampliamente como elásticos o inelásticos. En el dispersión elástica, el neutron no intercambia energía con la muestra, por lo que la longitud de onda no cambia. Este modo revela características estructurales estáticas, como la disposición de átomos o la geometría de macromoléculas.

¿Por qué Neutrons para los polímeros?

Varias características hacen que el disperso de neutrones sea superior a otras sondas para la caracterización de polímeros:

  • ] Sensibilidad al hidrógeno: El hidrógeno tiene una gran sección transversal de dispersión incoherente pero una longitud de dispersión relativamente baja. Por el contrario, el deuterio tiene una longitud de dispersión alta coherente. Esta diferencia permite a los investigadores etiquetar partes específicas de una cadena de polímero (por ejemplo, bloques deuterizados en un copolímero de bloque) y observar su distribución espacial contra un hidrógeno.
  • ]Abajo Absorción: Los neutrones penetran profundamente en muestras de granel, permitiendo estudios de películas gruesas, fibras o incluso muestras en condiciones de procesamiento (por ejemplo, bajo gradientes de corte o temperatura).
  • Naturaleza no destructiva: A diferencia de los rayos de electrones, los neutrones no causan daños significativos de radiación, lo que permite investigar materiales sensibles como polímeros biológicos o materia blanda durante largos períodos.
  • Cubierta de Escala de Fuerza: Al seleccionar configuraciones de instrumentos apropiadas (por ejemplo, distancia de detector variable o longitud de onda de neutrones), el dispersión de neutrones puede simultáneamente provocar estructuras de angstroms ( distancias interatómicas) a cientos de nanometros (tamaños de dominio en mezclas).

Técnicas de estafatura neutrón clave para la Morfología polímero

Estafatura de neutrón pequeño (SANS)

SANS es la técnica de neutrones más utilizada para estudiar el embalaje de cadenas de polímeros y morfología en escalas de longitud de aproximadamente 1 nm a varios cientos de nanometros. En un experimento SANS, un haz monocromático de neutrones pasa a través de la muestra, y la intensidad dispersa se registra como una función del vector de dispersión Q = (4π/λ) sin(θ

Para las soluciones de polímero, SANS puede determinar el radius de la cómputo (Rg) de cadenas individuales utilizando la aproximación Guinier: I(Q) = I(0) exp(Q2Rg2/3) en la cadena de cristales de baja Q.

Scattering de neutrón de anguila amplia (WANS)

]WANS (también llamado difracción de neutrones) son las sondas atómicas de las periodicidades, típicamente en el rango Q superior a 2 Å−1. Es el análogo de neutrones de radiodifusión de rayos X de gran angular (WAXS). En la investigación de polímeros, WANS se utiliza para determinar

Reflexometría de Neutron (NR)

Para las películas e interfaces finas, reflectometría de manutron proporciona perfiles de densidad de longitud dispersora dependientes de profundidad con resolución de subnanometer. Al depositar una película de polímero en un sustrato y medir la intensidad de neutrones reflejada como función de ángulo (o longitud de onda), los investigadores pueden deducir el perfil de composición perpendicular a la superficie.

Tiempo de vuelo (TOF) y Espectrometers de eje triple

Mientras que la mayoría de los estudios de estructura estática utilizan rayos monocromáticos en fuentes de reactores, instrumentos de tiempo de vuelo en fuentes de españa (por ejemplo, en ISIS, SNS o J-PARC) usan rayos pulsados para cubrir una amplia gama de Q simultáneamente. Esto aumenta la velocidad de medición y es ideal para experimentos cinéticos como la presión triple de cristalización o separación de fase.

Estudiando Empaquetado de cadena de polímero

Conformación de la cadena y radio de la Gyration

La dispersión de neutrones proporciona una medida directa de cómo las cadenas de polímeros se empaquetan en el estado de vracs. Al mezclar una pequeña fracción de cadenas deuterizadas en una matriz hidrogenada (o viceversa), SANS puede aislar la dispersión de cadenas individuales, una técnica conocida como de contraste de cadenas de diámetro.

Orden Cristalina y Morfo

En polimeros semicristalinos, cadenas se doblan en lamellae que están separados por capas amorfos. El espesor de la fundición (normalmente 5–50 nm) se puede determinar desde la posición de un pico en el patrón SANS (o SAXS) a través de Bragg's law]: d = 2π/Qmax.

Orientación y Crystallinidad de Cadena Analizada

Distribución de orientación

Cuando se procesan polímeros (por ejemplo, por la fibra de spinning, la extrusión de película o el moldeo por inyección), las cadenas moleculares se orientan preferentemente a lo largo de la dirección de flujo. Los WANS combinados con un detector bidimensional pueden medir la distribución de intensidad azimutal de las reflexiones cristalinas, de las cuales las funciones de orientación hacia los hombres se calculan.

Grado de Cristalinidad

La fracción de material cristalino en un polímero influye directamente en la fuerza mecánica, las propiedades de barrera y la estabilidad térmica. Tanto WANS como SANS pueden estimar la cristalina: WANS compara la intensidad integrada de los picos cristalinos con el halo amorfo; SANS mide el invariante (el poder total de dispersión), que es proporcional al producto de las fracciones de volumen y el contraste entre fases.

Determinación de morfología en sistemas complejos

Bloque Copolymers

El componente QTM de la interfaz de alta definición permite que el componente de la interfaz de alta definición sea de gran alcance (si está presente) y que se trate de una interfaz de alta definición (si está presente) que permite la composición de alta definición de la interfaz de alta definición (si está presente)

Polymer Nanocomposites

La dispersión de neutrones se utiliza cada vez más para estudiar la dispersión de nanopartículas (por ejemplo, silica, arcilla, nanotubos de carbono) en matrices polímeros. Al igualar la densidad de longitud de dispersión de la matriz polímero (utilizando una mezcla de especies hidrogenadas y deuterizadas), la dispersión de los nanofilleros se hace visible.

Biopolímeros y Materiales Suaves

Los polímeros derivados de fuentes naturales, como la celulosa, las proteínas y el almidón, a menudo tienen estructuras jerárquicas complejas. La dispersión de neutrones, combinada con deteración del solvente (por ejemplo, D2O vs. H2O), pueden ser la probe de la cáscara de hidratación, la flexibilidad de la cadena y el en estos sistemas de la penetración de nanoscara.

Interpretación y modelado de datos

Factor de formulario y factor de estructura

[FLT] [FLT]: El factor de reducción de la fase [FLT] es proporcional al producto del factor de forma P(Q) que describe la forma y el tamaño de los dispersadores individuales y el factor de estructura

Estrategias de varianza y etiquetado de contraste

La capacidad de manipular el contraste por la deuterización selectiva es un sello distintivo de la dispersión de neutrones. En un experimento típico se mide una serie de muestras con diferentes niveles de deuterización, y los datos de dispersión se descomponen en contribuciones de componentes individuales.Este enfoque, conocido como contraste que coincide, puede aislar la dispersión de una fase o de interfaces.

Intensidad absoluta e invariantes

Los datos de dispersión de neutrones pueden colocarse en una escala absoluta (cm−1) utilizando estándares calibrados (por ejemplo, agua, vanadio). Esto permite calcular la invariante Q*, que es proporcional a la fluctuación media-escaria de densidad de longitud dispersa. El invariante está relacionado con las fracciones de volumen de las fases completas y el contraste entre ellos.

Consideraciones e instalaciones prácticas

Fuentes de Neutron

Los experimentos de dispersión de neutrones requieren acceso a instalaciones a gran escala: ya sea un reactor nuclear (por ejemplo, el reactor de alto flujo de Isotope en ORNL, el Institut Laue-Langevin en Francia, o el FRM II en Alemania) o una fuente de spallation (por ejemplo, la suite Oak Ridge Spallation Neutron Source, el ISIS Neutron y la instalación de muestras actualmente Fuente en España

Preparación de muestra y deteración

Para datos de alta calidad SANS o WANS, las muestras deben fabricarse con dimensiones controladas y deuterización. Los polímeros a granel pueden ser presionados en discos o arrojados en películas. Las soluciones se miden típicamente en cuarzo o células de titanio con ventanas finas para minimizar la dispersión de fondo. Los servicios de de depuración [FLTak]

Future Directions

Fuentes de alta frecuencia y estudios resueltos por el tiempo

Fuentes de espaciación de nueva generación (por ejemplo, la Fuente de la Ampliación Europea) proporcionarán un orden de flujo superior de magnitud, permitiendo experimentos resolvidos por el tiempo en los períodos de tiempo sube. Esto permitirá a los investigadores cristalización de polímeros conservantes, separación de fases o kinetics de reacción en tiempo real, capturando estructuras transitométricas avanzadas de la herramienta

Uso combinado con otras técnicas

La información estructural de la dispersión de neutrones es más potente cuando se integra con los resultados de la dispersión de rayos X, microscopía electrónica, calorías y simulaciones moleculares. Por ejemplo, S y SAXS las mediciones proporcionan contraste complementario y pueden distinguir entre fluctuaciones de densidad y rendimientos de composición experimentales.

Aprendizaje de la máquina en el análisis de datos

La creciente complejidad de los sistemas de polímeros y los vastos conjuntos de datos producidos por los detectores modernos han estimulado el desarrollo de algoritmos de aprendizaje automático para la fijación de datos de dispersión. Las redes neuronales pueden clasificar rápidamente la morfología (lamellar, cilíndricos, giméricos) del patrón de dispersión o predecir relaciones de polimer-propiedad.

Conclusión

Los nuevos métodos de análisis de polinización de neutrones [en inglés] son esenciales para la creación de polinómetros, para la creación de polinefes y para la producción de material de neutrones [en inglés].