Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ciencias Difracción de neutrones y sus aplicaciones Prof. Modesto Montoya 18 de junio 2008

Difracción de neutrones La difracción de neutrones es usada para medir las distancias interplanares que hay en un cristal, usando las propiedades de onda de los neutrones. De esas distancias se deduce la estructura cristalina de la materia, o la disposición de los átomos en estructuras cristalinas, minerales, biológicas u otras. Por ejemplo la estructura del ADN. Los cristales se encuentran en todos los dominios de la ciencia y la tecnología.

Ley de Bragg                                                                                                                                                         http://www.pha.jhu.edu/~broholm/l30/node5.html

Ley de Bragg physchem.ox.ac.uk                                                                             sinθ = nλ/2a, n = 1, 2, 3, ..                      

Según la ley de Bragg, los neutrones se desvían en un cristal en ángulos que dependen de la longitud de onda, la que está relacionada con su momento lineal de acuerdo a: p = h/λ. De esta relación se tiene la energía del neutrón: E = p2/2m.

Monocromador de neutrones: Dado que los neutrones se desvían en ángulos que dependen de λ y de la distancia interplanar (d, suponiendo que hay una sola) del cristal, para cada energía deseada se escoge un monocristal (d) y un ángulo determinado. Muestra a ser analizada: El haz monocromado incide sobre la muestra, la que dispersará los neutrones de acuerdo a los valores de d entre los diversos planos del cristal. De esos diversos valores se deduce la estructura cristalina.

HRTEM image of mesoporous Fe2O3 with neutron diffraction patterns of bulk (top) and mesoporous forms (bottom) at 150K. The (111) reflection characterises different magnetic structures. http://www.isis.rl.ac.uk/isis2006/review/nanoscalescience.html

The structure of a monolayer butane film on MgO (100) surface. http://www.isis.rl.ac.uk/isis2006/review/nanoscalescience.html

Confined water (blue) in a silica (red and yellow) pore Confined water (blue) in a silica (red and yellow) pore. Water near the pore edge has reduced density, caused by the strong orientational surface interaction. http://www.isis.rl.ac.uk/isis2006/review/nanoscalescience.html

The structure of K2Co(ox)2, showing the chain of oxalate bridged Co(II) ions with trigonal prismatic coordination. Neutron powder diffraction of K2Co(ox)2 as the sample is cooled through a magnetic phase transition, showing the evolution of new purely magnetic Bragg peaks. www.chem.gla.ac.uk/staff/danielp/

Time-resolved electric-field neutron-diffraction experiments in the microsecond range, John Daniels and Trevor Finlayson (Monash U.), Andrew Studer(ANSTO) and Mark Hagen(ORNL) www.ansto.gov.au/.../2005_jan.html

The neutron guide hall of the Cold Neutron Research Facility of the Budapest Neutron Centre with partial view of some neutron scattering instruments, such as the small angle scattering spectrometer, vertical surface reflectometer and the instrument development test facility. www.szfki.hu/nspectr/fields.html

www.ill.eu/d1b/applications/ The D1B-CRG is a high intensity powder diffractometer with an 80° PSD. It has always been in very high demand for real time experiments, and for very small samples because of its high efficiency position sensitive detector (PSD). Run as a CRG-A instrument by a CNRS / CSIC team, it is available 50% of the time for scheduled ILL experiments.

Dispersión inelástica de neutrones Se trata de medir los cambios de niveles de energía vibracional en los cristales. Eso permitirá calcular los potenciales en los que están atrapados los átomos en los cristales. Para ello se mide los cambios de energía de los neutrones que son dispersados por el cristal. Hay diversos tipos de espectrómetros de neutrones. El más común es el de triple eje.

Dispersión inelástica de neutrones Triple eje Con un cristal en un eje se logra un haz monocromático. En el segundo se coloca la muestra, en la que se dispersa el haz de neutrones. En el tercer eje se difractan los neutrones en ángulos de acuerdo a su energía. Se coloca detectores en esos ángulos para encontrar entonces el espectro de energía de los neutrones que llegan al detector.

Esquema de un experimento de dispersión inelástica de neutrones solidstate.physics.sunysb.edu/.../node25.html

Equipo de dispersión inelástica http://www.scienceinschool.org/2006/issue1/defying/

Inelastic neutron scattering spectrum of coronene taken on TOSCA Inelastic neutron scattering spectrum of coronene taken on TOSCA. Coronene is a planar polycyclic hydrocarbon used to model graphite planes in studies of hydrogen spillover on carbon-supported metal catalysts. www.isis.rl.ac.uk/.../isisannualrepord.html

TOSCA is an indirect geometry spectrometer optimised for the examination of molecular vibrations in complex chemical systems. TOSCA’s simple operation and similarity to the optical analogues of infra-red and Raman spectroscopy make it one of the most approachable instruments for first-time users. TOSCA science includes studies of catalysts, hydrogen bonded materials, polymeric model materials and complex organics such as drugs. There is currently a strong program of spectral interpretation using ab-initio calculations.

Se ha experimentado con polvos de niquel y óxido de Ytrio. En el Perú se está finalizando la construcción de un difractómetro de polvo de dos ejes. Se ha experimentado con polvos de niquel y óxido de Ytrio. Se espera que los investigadores de todas las universidades participen en el uso de esa y otras facilidades del reactor nuclear RP-10

Gracias por su atención