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Fuentes de Neutrones: Aplicaciones a la Física de
la Materia Condensada Blanda
ALEJANDRO SANZ PARRAS
Departamento de Física Macromolecular
Grupo de dinámica y estructura de la materia condensada blanda
X CURSO DE INICIACIÓN A LA INVESTIGACIÓN EN ESTRUCTURA DE LA MATERIA:
DE LAS PARTÍCULAS ELEMENTALES A LOS SISTEMAS DE ALTO PESO MOLECULAR
Madrid, 20-22 Marzo, 2013
• GRANDES INSTALACIONES CIENTÍFICAS: FUENTES DE NEUTRONES
• MATERIA CONDENSADA BLANDA
• APLICACIONES DE LOS HACES DE NEUTRONES LA FÍSICA DE LA MATERIA CONDENSADA
BLANDA
GRANDES INSTALACIONES CIENTÍFICAS: FUENTES DE NEUTRONES
• Instalaciones científicas excepcionales
• Surgen para dar servicio a las necesidades de la comunidad científica y de la sociedad en
general
• Afrontan retos científicos que requieren un alto esfuerzo tecnológico
• Se estimula la colaboración internacional
• Se requiere una alta inversión: dinamizadores de la economía
GRANDES INSTALACIONES CIENTÍFICAS: FUENTES DE NEUTRONES
REQUERIMIENTO DE
UNA GRAN
INSTALACIÓN
CIENTÍFICA
PROBLEMA
CIENTÍFICO O
TECNOLÓGICO
EVALUACIÓN DE LA
PROPUESTA POR UN
COMITÉ DE EXPERTOS
REALIZACIÓN
DEL
EXPERIMENTO
ELABORACIÓN DE
UNA PROPUESTA
PARA LA
REALIZACIÓN DEL
EXPERIMENTO
ANÁLISIS DE
LOS DATOS
PUBLICACIÓN ?
GRANDES INSTALACIONES CIENTÍFICAS: FUENTES DE NEUTRONES
PUBLICACIONES
Evolución de la producción científica española en técnicas neutrónicas
Adhesión de España
al Instituto Laue Langevin (Francia)
como miembro científico asociado
AÑO
Fuente
WEB OF KNOWLEDGE (THOMSON REUTERS)
GRANDES INSTALACIONES CIENTÍFICAS: FUENTES DE NEUTRONES
- Estado estructural del material
El neutrón como sonda
- Dinámica microscópica con información
geométrica y temporal
- Estructuras magnéticas
- longitudes de onda entre 0.1 y cientos de Å
- energías entre 1 meV y 0.1 µeV
Posibilidad de realizar experimentos
bajo condiciones extremas de
Temperatura
Presión
Campo Magnético
- masa = 1.6 x 10-27 Kg
- carga neutra
- espín 1/2
- Interacción puntual con los núcleos atómicos
GRANDES INSTALACIONES CIENTÍFICAS: FUENTES DE NEUTRONES
PRODUCCIÓN DE HACES DE NEUTRONES
REACTOR: reacción de fisión nuclear en cadena
1-2 MeV
235U
GRANDES INSTALACIONES CIENTÍFICAS: FUENTES DE NEUTRONES
REACTOR: reacción de fisión nuclear en cadena
FRM II
Munich (Alemania)
GRANDES INSTALACIONES CIENTÍFICAS: FUENTES DE NEUTRONES
PRODUCCIÓN DE HACES DE NEUTRONES
Fuente de Espalación: extracción de neutrones sin desintegración nuclear
neutrones de alta energía (MeV)
protones alta energía
diana de átomos
pesados (W, Hg)
proceso de moderación,
enfriamiento o ralentización
(D2O, CH4, H2…)
conducción de los neutrones hacia las guías experimentales
GRANDES INSTALACIONES CIENTÍFICAS: FUENTES DE NEUTRONES
Fuente de Espalación:
extracción de neutrones sin
desintegración nuclear
ISIS
Oxford (Reino Unido)
GRANDES INSTALACIONES CIENTÍFICAS: FUENTES DE NEUTRONES
DISPERSIÓN DE NEUTRONES
Ef
Ei
ki
detector
hQ = h (k f − ki )
kf
Q
Transferencia de Momento
muestra
(
)
hω = h k − k / 2m
2
Intensidad de neutrones
en función de Q y ω
ω = 0 dispersión elástica
ω ≠ 0 dispersión inelástica
ω ~ 0 dispersión cuasielástica
2
f
2
i
Transferencia de Energía
GRANDES INSTALACIONES CIENTÍFICAS: FUENTES DE NEUTRONES
Neutrón dispersado
Neutrón incidente
muestra
Longitud de onda λ
Espectrómetros de Retrodispersión
Ley de Bragg
Analizador de
Si (1 1 1)
λ=2d sin(θ)
λ
r
ki
d
Θ
muestra
λ ± ∆λ
Cristal de grafito
r
kf
180 º
Si (1 1 1) en movimiento
efecto Doppler
10-9 – 10-10 s
GRANDES INSTALACIONES CIENTÍFICAS: FUENTES DE NEUTRONES
Neutrón incidente
Neutrón dispersado
muestra
Espectrómetros de NEUTRON SPIN ECHO Velocidad del neutrón: Spin
muestra
Campo magnético B2
Campo magnético B1
Información de la dinámica en el
dominio de tiempos
Dependencia temporal
de la función de correlación
de pares o densidad-densidad
10-8 – 10-10 s
Perdida de polarización
neutrones con
distinta orientación de spin
intercambio de Energía
APLICACIONES DE LOS HACES DE NEUTRONES LA FÍSICA
DE LA MATERIA CONDENSADA BLANDA
NO SON SIMPLES LÍQUIDOS
NO SON SÓLIDOS CRISTALINOS CONVENCIONALES
LONGITUDES DE ESCALA INTERMEDIAS Y MOVIMIENTOS BROWNIANOS: CAPACIDAD DE
AUTOENSAMBLADO
SUTIL BALANCE ENERGÍA-ENTROPÍA: COMPLEJOS DIAGRAMAS DE FASE, ESTRUCTURAS
JERARQUIZADAS A DISTINTAS LONGITUDES DE ESCALA EN BÚSQUEDA DEL EQUILIBRIO
- Polímeros Amorfos y Semicristalinos
- Membranas y Sistemas Biológicos
- Disoluciones Micelares
- Cristales Líquidos
- Cristales Plásticos
APLICACIONES DE LOS HACES DE NEUTRONES LA FÍSICA
DE LA MATERIA CONDENSADA BLANDA
A
A
O
polímero amorfo en situación
de ovillo estadístico
O C
A
A
A
A
O
C O
A
A
A
A
Poli(etilen tereftalato)
(CH2)2
n
polímero semicristalino
alternancia amorfo/cristal
CONFINAMIENTO
APLICACIONES DE LOS HACES DE NEUTRONES LA FÍSICA
DE LA MATERIA CONDENSADA BLANDA
Intensidad de neutrones dispersada
Espectroscopia de retrodispersión de neutrones
resolución experimental
0.12
400 K
450 K
500 K
0.06
O
O
O
C
C
O
(C H 2 ) 2
n
-8
-7
-6
-5
IN10
Institut Laue Langevin
Grenoble (Francia)
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
transferencia de energía (µeV)
5
6
7
8
APLICACIONES DE LOS HACES DE NEUTRONES LA FÍSICA
DE LA MATERIA CONDENSADA BLANDA
0.2
500 K
-1
1.85 Å
S (Q,ω) (arbitrary units)
0.1

1
Γ(ω ) 
S inc (Q, ω ) = EISFδ (ω ) + (1 − EISF )
π Γ 2 (ω ) + ω 2 

Data
Elastic
Quasielastic
Fit
0.0
0.2
+
Dinámica de la
cadena polimérica
-1
1.45 Å
0.1
L
0.0
0.2
-1
0.86 Å
0.1
τ
0.0
-10 -8 -6 -4 -2 0
2
4
Energy transfer (µeV)
6
τ
r0
r0
8 10
O
O
O
C
C
O
(C H 2 ) 2
n
τ
APLICACIONES DE LOS HACES DE NEUTRONES LA FÍSICA
DE LA MATERIA CONDENSADA BLANDA
NEUTRON SPIN ECHO
O
O C
β

S pair (Q , t )
 t  
 
= f Q (T ) exp − 
S pair (Q ,0)
τ (T )  
  s

O
C O
(CH2)2
n
Poli(etilen tereftalato)
1.0
Spair (Q,t)/Spair (Q)
0.8
0.6
0.4
0.2
Reseda
FRM II
Munich (Alemania)
0.0
-3
10
-2
10
-1
10
time (ns)
0
10
1
10
APLICACIONES DE LOS HACES DE NEUTRONES LA FÍSICA
DE LA MATERIA CONDENSADA BLANDA
NEUTRON SPIN ECHO
O C
O
C O
  t β 
 
= f Q (T ) exp − 
S pair (Q ,0)
τ (T )  
  s

1.0
(CH2)2
420
450
480
500
520
n
0.8
Spair (Q,t)/Spair (Q)
O
S pair (Q , t )
0.6
0.4
0.2
0.0
FRM II
Munich (Alemania)
-2
10
-1
10
time (ns)
0
10
1
10
APLICACIONES DE LOS HACES DE NEUTRONES LA FÍSICA
DE LA MATERIA CONDENSADA BLANDA
2
α Dielectric
β Dielectric
0
Neutron Spin Echo
VFT behaviour
Arrhenius
IN10
log/τ (s)
-2
MAPA DE
RELAJACIÓN
-4
-6
-8
-10
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
-1
1000/T (K )
O
O C
O
C O
(CH2)2
n
Poli(etilen tereftalato)
semicristalino
4.5
APLICACIONES DE LOS HACES DE NEUTRONES LA FÍSICA
DE LA MATERIA CONDENSADA BLANDA
Shull (difracción de neutrones)
Nobel en Física 1994
Brockhouse (espectroscopia de neutrones)
Nobel en Física 1991
de Gennes (materia condesada blanda)
Nobel en Química 1974
P. J. Flory (química física de Polímeros)
http://www.iem.cfmac.csic.es/fmacro/softmatpol/
Departamento de Física Macromolecular
Grupo de dinámica y estructura de la materia condensada blanda
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GRANDES INSTALACIONES CIENTÍFICAS: FUENTES DE NEUTRONES
citas
Perspectiva histórica de la investigación con
Técnicas neutrónicas en España
Dossier de la Sociedad Española de Técnicas
Neutrónicas, 2009