Лаборатория нейтронных физико- химических исследований (ЛНФИ) Laboratory for neutron physicochemical investigations (LNPI) Группа химической физики и спектроскопии: Корпус 7 - Комплекс оборудования для синтеза и аттестации атомных кластеров и наноструктур (эндофуллерены и производные, углеродные композиты феррочастиц и др.) Группа нейтронных исследований надатомных структур: Реактор ВВРМ - Дифрактометр Мембрана-2 Модуляционный спин-эхо спектрометр

Нейтроны: энергии E 1 эВ, длины волн 0.03 нм Мощный инструмент анализа структуры и динамики атомной и магнитной - атомного размера энергия E ~ kT магнитный момент проникающая способность - десятки см Тепловые и холодные нейтроны: E ~ эВ, Е < 0.01 эВ Энергетический спектр рассеянных нейтронов - динамика на атомном уровне волновые свойства: преломление на границе сред полное внутреннее отражение дифракция, рассеяние на малые углы Взаимодействие с ядрами Информация о строении водородсодержащих и других соединений из элементов с близкими атомными номерами (изотопы) Получить подобные данные из рентгеновской дифракции сложно!!!

Медленный нейтрон - ядерное взаимодействие + магнитное взаимодействие с электронной оболочкой остальные весьма слабые: Швингера - при скорости нейтрона V в поле ядра E на нейтрон действует поле [EV]/c, n-e-взаимодействие Р ассеяние силовым полем ядра или через образование промежуточного возбужденного ядра с последующим распадом Медленные нейтроны - обычно два канала распада промежуточного ядра: радиационный захват и резонансное упругое рассеяние (суммарная кинетическая энергия не меняется при рассеянии) Интерференция потенциального упругого и резонансного рассеяния Для медленных нейтронов сечение почти не зависит от их энергии Теория Взаимодействие нейтронов с веществом - рассеяние нейтрона на ядре без спина: потенциал взаимодействия V(r) зависит только от расстояния r между частицами, и задача решается в системе центра масс.

Волновая функция падающего нейтрона массой m и энергией E - плоская волна exp(ik o r) с волновым вектором k o вдоль скорости нейтрона, k o =(2mE/ 2 ) 1/2. n, k0k0 k k q k0k0

На больших расстояниях нет взаимодействия с ядром Падающая + рассеянная волна (r) r = exp(ik o z) + [f(,k)/r]exp(ikr) Амплитуда f(,k) зависит от полярного угла в системе координат с осью Z вдоль k o. Сечение ядра в элемент телесного угла d =2 sin d : d = f(,k) 2 d Амплитуда - ряд по собственным функциям орбитального момента нейтрона l - интеграла движения для центрального потенциала: f(, k) = (2ik) -1 (2 l +1)[exp(2i l ) - 1]P l (cos ). P l - полиномы Лежандра, а l (k) - фазовые сдвиги рассеянных волн. Длина волны > см >> r o ~ см - радиуса действия потенциала ядра Сохраняется только слагаемое с l = 0 Рассеяние изотропно, f(k)=[sin o (k)]/k. При малых волновых векторах l (k)~k 2l+1, f(k) o (k)/k limf(k) k 0 =const= b b - длина рассеяния ядра - фазовый сдвиг рассеянной волны в единицах длины

У большинства ядер b > 0, у ряда элементов b < 0 (H, Li, Ti) Изменение b - замещение изотопов - преимущество в сравнении с рентген. и оптическими методами - вариация контраста!!! Ядро без спина: сечение d = b 2 d Ядро имеет спин I - две длины рассеяния b +, b Параллельная и антипараллельная ориентации спинов частиц суммарный спин ядра и нейтрона J=I+1/2, J=I-1/2 d =[b + 2 (I+1)/(2I+1)+b 2 I/(2I+1)]d дополнительные возможности контрастирования !!! Ансамбль ядер: порядок расположения, общность физических свойств - интерференция волн - когерентное сечение coh Нарушение порядка - интерференция исчезает: некогерентное рассеяние от ядер inc Полное сечение = coh + inc

Изотопическая некогерентность: Случайное распределение изотопов по ядрам Спиновая некогерентность: Случайная взаимная ориентация спинов частиц + вероятность переворота спина нейтрона при рассеянии 2/3 сечения некогер. рассеяния - переворот спина нейтрона, 1/3 - хаотическая взаимной ориентации спинов нейтрона и ядра Поляризация нейтронов и ядер устраняет первую причину Реализуется второй механизм Когерентность и некогерентность проявляется при магнитном взаимодействии нейтрона с электронными оболочками Магнитный момент нейтрона = 2 N S n противоположен его спину S n = магнитный момент в ядерных магнетонах N Потенциал магнитного взаимодействия нейтрона и атома V=(1/c) A(r,r l ) j(r l ) Векторный потенциал A(r,rl) = [ (r l -r)]/ r l -r 3 создан моментом нейтрона (координата r) в позиции электрона r l, и плотностью электронного тока j(r l ) Электронный ток j(r l ) - сумма орбитальной и спиновой составляющих

Рассеяние на свободном ядре - задача в системе центра масс Химически связанные частицы (молекула, кристалл): b = a(A+1)/A а - длина для свободного ядра, А - его атомная масса У протона длина рассеяния возрастает в 2 раза! Связанный центр - обмен энергией с коллективными степенями свободы - неупругое рассеяние! При рассеянии нейтрона на свободном ядре, оно испытывает отдачу, энергия нейтрона меняется На связанном ядре рассеяние может быть без изменения энергии нейтрона (упруго), если возбуждение коллективных движений невозможно – дифракции Нейтрон взаимодействует с ансамблем ядер: сферические волны Суперпозиция волн - первое приближение + вторичное излучение Первое приближение: амплитуда упругого рассеяния ансамблем из N атомов A(q) = b i exp(iqr i ) b i -длина рассеяния i-го ядра с координатой r i Сечение d (q)/d =A(q) A(q)*

Контрастирование, H D: длины H и D разные по величине и знаку, b coh H = 0, см, b coh D= +0, см Объем V, n рассеивателей с длинами b i в точках r i. сечение d coh /d = b i b j. Плотность (r) = (r-r i ), концентрация C = (n/V) (r), плотность длины рассеяния A = b (r), Фурье-образы (q)= (r)e iqr dr, C(q)=(n/V) (q), A(q)=b (q) Сечение d coh /d =b 2. Два типах рассеивателей с удельными объемами v 1, v 2 и длинами b 1, b 2 Сечение задано плотностью рассеивателей одного типа (первого). "Кажущаяся" длина для них равна =b 1 -(v 1 /v 2 ) b 2

Сечение Фурье-образ корреляционной функции плотности d coh /d = 2 G(R)exp(iqR)dR G(R) = - коррелятор отклонения плотности частиц 1 (r) = 1 (r) - от среднего для частиц на расстоянии R Контраст на масштабе >> межатомного расстояния (раствор макромолекул) Избирательное изучение корреляций частиц статических и динамических

САМООРГАНИЗАЦИЯ ИОНОМЕРОВ СУЛЬФОПОЛИСТИРОЛА В РАСТВОРИТЕЛЯХ НИЗКОЙ ПОЛЯРНОСТИ M = , M w /M n = 1.05, ионогенные группы SO 3 Na, SO 3 H в CHCl 3, 0.5 % масс., 20 о С ХФ, = 4.8, 20 o C нет диссоциации ионных пар групп SO 3 Na, электростатическое взаимодействие групп + ассоциация неполярных фрагментов ПС Сечения растворов иономеров с 1.35 и 2.6 мол. % групп SO 3 Na (а,б) в ХФ σ(q) = (ΔK) 2 N p V P 2 F(q) 2 S(q) N P – численная концентрация полимера,V P – сухой объем цепи F(q) – форм-фактор макромолекулы, S(q) – структурный фактор ΔK – фактор контраста полимера относительно растворителя γ(R) = (ΔK V 1 ) 2 = (1 / 2π) 3σ(q) [sin(qR) / (qR)] 4π q 2 dq V 1 - сухой объем звена цепи; Δn(0), Δn(R) отклонения концентрации звеньев цепей от средней концентрации в точках образца на расстоянии R

1.35 % и 2.6 % ионогенных групп Корреляционные функции иономеров в растворах (ХФ)

Пары эффективные цепи из 7 молекул плотные кластеры = 0.5 мол. % = мол. % = 5.8 мол. % Структура и размеры эффективных цепей иономеров мол. % групп SO 3 Na в D-толуоле Конформация клубка гауссова даже при степени сульфирования 5.8 мол. % расстояние между группами по цепи ~ длины сегмента Самоорганизация во вторичные структуры из 4 5 эффективных цепей

. Пространственные корреляционные функции данные рассеяния нейтронов в растворах ПС-предшественника (1), иономеров СПС-05 (2), СПС-1.35 (3), СПС-2.6 (4), СПС-5.8 (5) в D-толуоле

Иономеры в D-бензоле Надмолекулярные структуры (ассоциаты) - гауссовы цепи макромолекул Ассоциаты создают кластеры !!! Увеличение жесткости цепи - физические сшивки цепей – дипольные силы между ионогенными группами ПС = 0.5 мол. % = 1.35 и 2.6 мол. %

УМНЫЕ (SMART) ЗВЕЗДЫ МИЦЕЛЛЫ Пленки Лэнгмюра-Блотжетт Граница вода-воздух Мицеллы (ПС)6(ПТБМА)6 +Na 2 PdCl 4 Унимицеллы (ПС)7(П2ВП)7 СВОЙСТВА ЗВЕЗДООБРАЗНЫХ ПОЛИМЕРОВ Транспорт гидрофобных препаратов (лекарств)

PS-Stars with double fullerene center Fig. 29. SANS from stars in D-toluene (1 % mas., 20 o C): A). 1 – (PS) f C 60 ; 2 - (PS) f C 60 (PS) f ; B). 1 – (PS) f C 60 ; 3 – Hybrids (PS+PTBMA) Pair of arms: polar + nonpolar

Nanostructure of irradiated quartz Synthetic, rock crystal, smoke-colored quartz irradiated in reactor: 60 o C, fast neutrons, fluence 0.2· ·10 18 n/cm 2 ) Synthetic crystals: dislocations densities ρ 1 = 54 cm -2 and ρ 2 = 570 cm -2 SANS from point, linear and globular defects (terms 1-3) I(q) = B + q -1 A·exp[-(q·r g ) 2 /2] + I o ·exp[-(q·R g ) 2 /3] Linear defects (cylinder-like) have the gyration radius of their cross section r g Globular defects have gyration radius R g. Fig.19. SANS from irradiated quartz (dislocations density ρ = 54 cm -2 ) vs. fluence.

Fig.20. SANS on defects in quartz irradiated (ρ=570 cm -2 ) vs. fluence. Behaviors of defects parameters Fig.21. Globular defects parameters vs. fluence. Defects: point, linear and globular

MINERAL FIBRES - NATURAL AND INDUSTRIAL SURFACE AND VOLUME DEFECTS IN BASALTIC FIBRES BY SANS Russian Enterprises & Rockwool, Paros, Isoroc Nontraditional amorphous materials for heat and acoustic isolation (mechanical engineering, space technology, motor industry, construction) Developed solid-gaze interface ( 1 m 2 /g, thickness 1-10 micron) Ecologically safe materials Huge stocks of basalt in the Earth's crust Basalt technologies: melting at temperatures > 1000 o C, addition of binding components, dispersion process (extrusion, inflating by a jet of air or steam) Composition: 51– 47% SiO 2, 14 –12% Al 2 O 3, 5 – 2 % Fe 2 O 3, 12 – 7 % FeO, 10 – 4 % MgO, 10 – 8 % CaO, 3 – 2 % Na 2 O, 2 – 0 % K 2 O, 3 – 1 % TiO 2, 0.8 – 0.4 % P 2 O 5 %, 0.3 – 0.1 % MnO 2, 3 – 0 % H 2 O

фотодитазин Фотосенсибилизатор для лечения ряда опухолей Терапия селективная способность ФД накапливаться в онкологическом образовании с высокой концентрацией по сравнению со здоровой тканью выделять биологически активный синглетный кислород под действием оптического излучения Синглетный кислород приводит к гибели клеток Управляемая внешним магнитным полем транспортировка ФД, локализованного на частицах феррожидкости, к злокачственному образованию Разработка устойчивых биосовместимых ионных магнитных жидкостей на основе магнетита, связывающих ФД

Иономеры и гидрогели из взаимопроникающих сеток

Динамика водорода в катализаторах ZnOCuH(D)y ПИЯФ + Институт катализа СО РАН + Институт физики твердого тела АН Венгрии + Университет Амстердама Механизм катализа, хранение водорода ? Локализация водорода в матрице ZnO, его динамика вблизи металлических кластеров Cu внутри порошкового катализатора Zn 0.92 O-Cu H Y, содержащего Y ~ 1 at. % водорода Кластеры металлической меди внутри матрицы ZnO

Диффузия и релаксационные моды водородной оболочки Быстрая диффузия в матрице и медленная вблизи кластера P EVEN (t) = A SH exp(-t/τ SH ) + A LO exp(-t/τ LO ) Константы диффузии при 370 K: D FAST ~ cm 2 /c D SLOW ~ cm 2 /с Амплитуды A SH, A LO и времена релаксации мод τ SH, τ LO – функции температуры Энергии активации диффузии: E SH ~ 0.08 eV (быстрая мода) E SH ~ 0.06 eV (медленная мода)

Зависимости сечений рассеяния от импульса для мембраны в исходном состоянии (1), сухой (2) и гидратированной в D 2 O (3) мембраны

2D-детектор 200× 200 mm 2 Материнская плата с предусилетелями, линиями задержки и системой газонаполнения Картина рассеяния (λ = 0.3 нм) на фторопласте (CF 2 ) n изотропном и при одноосном растяжени и ПАРАМЕТРЫ Газовая смесь: 4 atm. 3 He + 2 atm. CF 4 Эффективность 70% (λ = 0.3 нм) Пространственное разрешение FWHM 1.5 mm (вдоль непрерывной координаты Y) FWHM = 2 mm (вдоль дискретной координаты X) Дифференциальная нелинейность ±10%

Facilities for structural and dynamical studies: 1,2 - walls of circular hole, 3 - reactor core, 4 - TOF; 5 – NSE, 6 - neutron guides, 7 - "Membrane-3"