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Jun 05, 2023

Espectroscopia spin-eco de nêutrons com uma amostra em movimento

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 13051 (2023) Citar este artigo 224 Acessos 1 Detalhes da Altmetric Metrics A espectroscopia de spin e eco de nêutrons é um espalhamento inelástico de nêutrons de alta resolução

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 13051 (2023) Citar este artigo

224 acessos

1 Altmétrico

Detalhes das métricas

A espectroscopia spin-eco de nêutrons é um método de espalhamento inelástico de nêutrons de alta resolução que sonda a dinâmica de nanossegundos. É adequado para estudar o movimento atomístico em sistemas poliméricos e contribui para a nossa compreensão da viscoelasticidade. No entanto, para amostras sob cisalhamento ou amostras móveis em geral, o espalhamento Doppler deve ser considerado. Comparamos a mudança de fase medida e a despolarização devido ao espalhamento Doppler de um disco rotativo de grafite com cálculos numéricos e analíticos e encontramos excelente concordância. Isso permite levar em consideração o espalhamento Doppler durante o processamento de dados e torna possíveis tempos de Fourier mais longos, bem como taxas de cisalhamento e faixas Q mais altas com espectroscopia de eco de spin de nêutrons, permitindo, por exemplo, o estudo de polímeros sob alto cisalhamento.

As propriedades específicas dos nêutrons oferecem vários recursos exclusivos para o estudo de materiais. O fato do nêutron ter massa de repouso resulta em uma energia significativamente menor em comparação aos fótons com comprimento de onda nm. Como resultado, os nêutrons são uma excelente sonda para o estudo de excitações de baixa energia, como fônons ou rotações moleculares, bem como para o estudo da via de difusão, o chamado espalhamento quase elástico .

Dependendo das escalas de energia e tempo de interesse, diferentes métodos de espalhamento estão disponíveis. A melhor resolução de energia ou escalas de tempo mais longas são alcançadas em espectrômetros de spin echo de nêutrons (NSE) e são mais adequados para estudar dinâmica lenta3. Além da baixa energia, o nêutron é sensível ao núcleo e assim a troca isotópica permite introduzir contraste em uma amostra feita a partir dos mesmos elementos químicos. Outra vantagem da interação nuclear dos nêutrons com a matéria é o aparecimento de espalhamento incoerente, que permite a investigação da difusão do traçador sem a necessidade de introdução de partículas traçadoras. Esses fatos combinados com a excelente resolução energética do NSE possibilitaram verificar experimentalmente teorias sobre dinâmica de polímeros, como o modelo de reptação4 e extensões a ele, por exemplo, flutuações no comprimento do contorno5 e liberação de restrições6. A dinâmica complexa e lenta dos polímeros tem um impacto severo nas suas propriedades reológicas e resulta em viscoelasticidade, por exemplo, uma viscosidade que depende da taxa de cisalhamento. No entanto, até agora os experimentos NSE foram realizados quase exclusivamente em amostras em repouso, enquanto uma compreensão detalhada da dinâmica molecular sob cisalhamento é necessária para compreender completamente a viscoelasticidade e simulações computacionais indicam mudanças na função de espalhamento intermediário de polímeros expostos a altas taxas de cisalhamento (Weissenberg número (Wi) maior que 1)7.

Em contraste com o NSE, o espalhamento de nêutrons em pequeno ângulo (SANS) é feito de maneira rotineira. Rheo-SANS é uma técnica poderosa que pode fornecer informações sobre o comportamento macroscópico e microscópico dos materiais. Na escala macroscópica, as medições reológicas fornecem informações sobre as propriedades viscoelásticas do material, como módulo de cisalhamento e viscosidade. Na escala microscópica, o SANS fornece informações sobre a estrutura nanoscópica do material, como o tamanho e distribuição das partículas ou a conformação e automontagem de cadeias moleculares. Ao combinar essas duas técnicas, o Rheo-SANS pode revelar como as propriedades microestruturais de um material influenciam seu comportamento de fluxo macroscópico e vice-versa8. Em experimentos reológicos, o cisalhamento é frequentemente aplicado em geometria Couette ou placa cônica. A geometria da placa cônica é preferível para amostras de alta viscosidade, como polímeros fundidos.

No caso de velocidades de amostra da ordem da velocidade de nêutrons, o espalhamento Doppler pode gerar uma mudança no ângulo de espalhamento de nêutrons, como mostrado em experimentos de difração usando um cristal rotativo e estudos SANS em gotículas de aerossol voando paralelamente à transferência de momento de nêutrons, Q, no mesma velocidade dos nêutrons10. Para experimentos de reologia típicos, a velocidade da amostra \(v_s\) é da ordem de m/s e, portanto, significativamente mais lenta que a velocidade do nêutron \(v_n\) de cerca de 300 m/s e não são esperadas mudanças no ângulo de espalhamento. No entanto, o espalhamento inelástico de nêutrons de alta resolução é capaz de detectar mudanças de energia da ordem de 1% da energia do nêutron, ou mesmo abaixo disso, e é, portanto, sensível ao espalhamento Doppler nessas velocidades relativamente lentas, como mostrado com retroespalhamento de nêutrons e espectroscopia NSE. 13 em líquidos cisalhados e por NSE em redes de linhas de fluxo móveis em um supercondutor14. Para estudar a dinâmica molecular sob cisalhamento, o espalhamento Doppler deve ser conhecido e para o espalhamento quase-elástico foi demonstrado que a dinâmica molecular pode ser extraída das asas do espectro independentemente do espalhamento Doppler e de uma anisotropia na difusividade das micelas poliméricas foi relatado sob cisalhamento16,17.