Рассеяние нейтронов и полимерные смеси

12.08.2015

Исследование формы, размера и подвижности полимеров длительное время привлекает внимание исследователей. Также постоянно растет число экспериментальных методов, применяемых для изучения физических свойств полимеров. Эффективность измерений в различных диапазонах электромагнитного спектра (рентгеновское, световое и инфракрасное излучения) для установления молекулярной структуры и подвижности хорошо известна. Применение нейтронов для исследований полимеров восходит к началу 1970-х гг., и с тех пор нейтронные методы интенсивно используются для изучения полимерных систем всех типов. Быстрое вовлечение нейтронов в эти исследования произошло благодаря их крайне привлекательным свойствам, делающим нейтронные методы уникальными и гибкими при изучении не только строения, но также динамики объектов. Нейтрон во многих отношениях является идеальным зондом для анализа конденсированного вещества. Имея много преимуществ над другими типами излучений, нейтроны внесли значительный вклад в понимание деталей поведения полимеров d.
Нейтроны, генерируемые либо при делении ядер в реакторе, либо в процессах расщепления, обладают энергиями, которые зависят от температуры замедлителя, применяемого для уменьшения их энергии. Эти энергии сравнимы с энергиями колебаний и диффузии в молекулярных системах, и поэтому нейтроны можно использовать для регистрации молекулярного движения в частотном диапазоне от 10в7 до 10в14 Гц. Этот динамический диапазон охватывает области от медленной динамики полимерной рептации до высокочастотных двухатомных колебаний. Кроме того, длины волн нейтронов идеально подходят для проведения структурных измерений в широчайшем диапазоне, начиная от волновой функции водорода и до морфологии макромолекул.
В то время как методы рассеяния света (PC) и малоуглового рентгеновского рассеяния (МУРР) опираются на различие показателей преломления или электронной плотности компонентов полимерной смеси, нейтронное рассеяние возникает вследствие различия длин рассеяния. Это отличие дает нейтронному рассеянию значительное преимущество, поскольку позволяет наблюдать за легкими элементами, такими как водород, в присутствии тяжелых элементов. Элементная длина рассеяния нейтронов 6. определяется взаимодействием ядро-нейтрон, и изменяется довольно случайно по периодической таблице. Еще более важно то, что изотопы одного и того же элемента могут иметь различную длину рассеяния, как, например, водород и его более тяжелый изотоп дейтерий. Это изотопное различие позволяет использовать контрастные изменения для выделения частей молекул или целых молекул из сложных или многокомпонентных систем. Это свойство сделало рассеяние нейтронов очень мощным инструментом, широко применяемым в структурных исследованиях полимеров в виде малоуглового рассеяния нейтронов (МУРН) или отражения нейтронов (ОН), а также в динамических исследованиях с помощью квази-другого рассеяния нейтронов (КУРН), неупругого рассеяния нейтронов (НУРН) и нейтронного спинового эха (НСЭ).
Нейтроны являются неразрушающим зондом, что позволяет интерпретировать данные без поправок на эффекты радиационного повреждения. Это означает, что временные изменения можно отслеживать на одном и том же образце по координате реакции. Кроме того, нейтроны обладают спиновым и, следовательно, магнитным моментом, то есть могут взаимодействовать с любыми непарными электронами в образце (хотя эта особенность не получила широкого применения в сообществе специалистов в области полимеров). Наконец, нейтроны являются глубоко проникающими частицами, что позволяет исследовать объемные свойства материалов не только в обычных, атмосферных условиях, но и в условиях сложного окружения, например в печах, криостатах и ячейках давления или сдвиговой деформации.
Несмотря на все эти преимущества, нейтроны не используются широко в полимерной науке; это происходит исключительно потому, что источники нейтронов громоздки, относительно недоступны и дороги для постройки и эксплуатации. He удивительно, что число этих установок в мире невелико. Однако характер информации, получаемой на этих установках, настолько уникален, что он оправдывает усилия, которые необходимо прикладывать для осуществления измерений — эта ситуация ясно прослеживается в запросах на нейтронные исследования во всем мире.