1 / 47

Kwazi-elastyczne rozpraszanie neutronów (QENS) Badanie ruchów molekularnych

Kwazi-elastyczne rozpraszanie neutronów (QENS) Badanie ruchów molekularnych. Jan Krawczyk Instytut Fizyki Jądrowej im. Henryka Niewodniczańskiego Polskiej Akademii Nauk, Kraków.

colin
Download Presentation

Kwazi-elastyczne rozpraszanie neutronów (QENS) Badanie ruchów molekularnych

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Kwazi-elastyczne rozpraszanie neutronów (QENS)Badanie ruchów molekularnych Jan Krawczyk Instytut Fizyki Jądrowej im. Henryka NiewodniczańskiegoPolskiej Akademii Nauk, Kraków

  2. QENS - metoda badawcza pozwalająca uzyskiwać informacje o skali czasowej oraz geometrii szybkich (~ ps), stochastycznych ruchów molekuł i grup molekularnych. • Badanie zarówno ruchów translacyjnych jak i reorientacyjnych. • Metoda komplementarna do relaksacji dielektrycznej, spektroskopii IR i ramanowskiej, NMR, … • Model → przekrój czynny → dopaso-wanie do zmierzonych widm QENS

  3. Podwójnie różniczkowy przekrój czynny Prawo rozpraszania (scattering law) Funkcja korelacji G(r, t) opisuje strukturę i dynamikę próbki

  4. Rozpraszanie neutronów • spójne • niespójne (izotopy, spin) (80 1.8 5.6 2 5.5 4.2 11 [barn])

  5. Rozpraszanie neutronów • Spójne • Niespójne • Elastyczne • Nieelastyczne • Spójne elastyczne • Spójne nieelastyczne • Niespójne elastyczne • Niespójne nieelastyczne

  6. Dyfrakcja neutronów (neutronografia)rozpraszanie spójne elastyczne • INS rozpraszanie nieelastyczne (spójne i niespójne) • QENS rozpraszanie niespójne (prawie) elastyczne

  7. Dyfrakcja neutronówrozpraszanie spójne elastyczne struktura krystalograficzna • INS rozpraszanie nieelastyczne spójne i niespójne krzywe dyspersji, gęstość stanów wzbudzonych (fonony, magnony, …)

  8. Dyfrakcja neutronówrozpraszanie spójne elastyczne struktura krystalograficzna • INS rozpraszanie nieelastyczne spójne i niespójne krzywe dyspersji, gęstość stanów wzbudzonych (fonony, magnony, …)

  9. Dyfrakcja neutronówrozpraszanie spójne elastyczne struktura krystalograficzna • INS rozpraszanie nieelastyczne spójne i niespójne krzywe dyspersji, gęstość stanów wzbudzonych (fonony, magnony, …)

  10. QENSrozpraszanie niespójne, poszerzone maksimum elastyczne szybkie (~ps) ruchy stochastyczne molekułi grup molekularnych ruchy translacyjne i rotacyjne (reorientacja)

  11. Prawo (funkcja) rozpraszania S(κ, ω): Funkcja korelacji G(r, t) opisuje gęstość prawdopodo-bieństwa znalezienia atomu w chwili t w punkcie r(t), jeśli w chwili t = 0 jakiś atom był w punkcie r(0):

  12. Rozpraszania niespójne: Klasyczna funkcja autokorelacji Gs(r, t) - gęstość prawdopodobieństwa znalezienia atomu chwili t w punkcie r(t), jeśli ten sam atom w chwili t = 0 był w punkcie r(0):

  13. Reorientacja Model jednoosiowych przeskoków o 120º (np. grupa CH3) 3 p12(dt) = λ dt p13(dt) = p12(dt) p11(dt) = 1 - (p12(dt) + p13(dt)) = = 1 - 2λ dt p21= p23= p31= p32= p12 p22 = p33= p11 Równania Chapmana-Kołmogorowa: 1 2 λ

  14. HWHM funkcji Lorentza Dla próbki polikrystalicznej

  15. Szybka stochastycznareorientacjamolekułi grup molekularnych • Składowa elastyczna IEL i kwazi-elastyczna IQEL • Γ ~ 1/ 0

  16. Jednoosiowe przeskoki pomiędzy N równoważnymi położeniami Jednoosiowa dyfuzja rotacyjna Izotropowa dyfuzja rotacyjna

  17. Dyfuzja translacyjna Równanie dyfuzji (D – współczynnik dyfuzji)

  18. Szybkie translacyjne ruchy stochastyczne molekułi grup molekularnych • Tylko składowa kwazi-elastyczna • Γ = f(κ) 0

  19. Przykłady zastosowania metody QENS: • Heksametylobenzen (HMB) • Kompleks HMB-TCNQ • Kompleks naftalen-TCNB • Ciekły kryształ 5*CB

  20. HMB heksametylobenzen J. Krawczyk, J. Mayer, I. Natkaniec, M. Nowina Konopka, A. Pawlukojć, O. Steinsvoll, J.A. Janik,Physica B, 362 (2005) 271.

  21. SpektrometrTOF, Kjeller, Norwegia NERA, Dubna, Rosja • Eo= 4.66 meV 4.65 meV • κ = 1.9 Å-1 0.5 - 2.9 Å-1 • T = 10 K – 300 K 20 K – 130 K • E = 0.12 meV0.37 meV • Należy uwzględnić poprawki na: • rozpraszanie naczyńka pomiarowego, • tło szybkich neutronów, • tło rozpraszania spójnego, • rozpraszanie wielokrotne.

  22. Funkcja zdolności rozdzielczej Res() • Res() = A ·(1 + B·( - 0)) · exp( -( - 0)2/2 ) • z dopasowania do widma dla T = 10 K  A, B,0,  • Dopasowanie splotu S(κ, )  Res() do wyników • z dopasowania modelu przeskoków o 120º   • T = 130 K  = 10 ps • T = 300 K  = 0.2 ps

  23. Prawo Arrheniusa (T) = o· exp (Ea/RT) z dopasowania  Ea = 8 kJ/mol

  24. HMB heksametylobenzen J. Krawczyk, J. Mayer, I. Natkaniec, M. Nowina Konopka, A. Pawlukojć, O. Steinsvoll, J.A. Janik,Physica B, 362 (2005) 271.

  25. Przykłady zastosowania metody QENS: • Heksametylobenzen (HMB) • Kompleks HMB-TCNQ • Kompleks naftalen-TCNB • Ciekły kryształ 5*CB

  26. Kompleks z przeniesieniem ładunku HMB -TCNQ (tetracyjanochinodimetan) HMB TCNQ W. Sawka-Dobrowolska, G. Bator, L. Sobczyk, A. Pawlukojć, H. Ptasiewicz-Bąk, H. Rundlöf, J. Krawczyk, M. Nowina-Konopka, P. Jagielski, J.A. Janik, M. Prager, O. Steinsvoll, E. Grech, J. Nowicka-Scheibe,J. Chem. Phys., 123 (2005) 124305.

  27. HMB TCNQ heksametylobenzentetracyjanochinodimetan

  28. HMB – szybka reorientacja protonów (18/22) • Model natychmiastowych przeskoków o 120o κ– przekaz pędu,  – przekaz energii, r – odległość protonów od osi reorientacji (r = 1.06 Å) a = (długość przeskoku)  = 3/2, – średni czas między przeskokami a . r • TCNQ – nieruchome protony (4/22) • Wkład tylko do części elastycznej

  29. Funkcja zdolności rozdzielczej Res() • Res() = A ·(1 + B·( - 0)) · exp( -( - 0)2/2 ) • z dopasowania do widma dla T = 10 K  A, B,0,  • Dopasowanie splotu S(κ, )  Res() do wyników • z dopasowania   = 16 ps T = 100 K •  = 1 ps T = 293 K (HMB: = 10 ps T = 130 K  = 0.2 ps T = 300 K )

  30. T = 100 K T = 195 K

  31. Prawo Arrheniusa (T) = o· exp (Ea/RT) z dopasowania  Ea Ea = 3.7 kJ/mol Ea = 1.8 kJ/mol (HMB: Ea = 8 kJ/mol )

  32. Przykłady zastosowania metody QENS: • Heksametylobenzen (HMB) • Kompleks HMB-TCNQ • Kompleks naftalen-TCNB • Ciekły kryształ 5*CB

  33. 36º 144º Naftalen TCNB (tetracyjanobenzen) K. Czarniecka, J.M. Janik, J.A. Janik, J. Krawczyk, I. Natkaniec, J. Wąsicki, R. Kowal, K. Pigoń, K. Otnes,J. Chem. Phys., 85 (1986) 7289

  34. Model jednoosiowych przeskoków pomiędzy czterema nierównoważnymi położeniami φ r π-φ λ2 λ1 J. Krawczyk,Acta Phys. Pol., A71 (1987) 953

  35. T = 313 K  = 7 ps T = 173 K  = 20 ps

  36. Przykłady zastosowania metody QENS: • Heksametylobenzen (HMB) • Kompleks HMB-TCNQ • Kompleks naftalen-TCNB • Ciekły kryształ 5*CB

  37. Q = 0.26 Å-1 – 2.69 Å-1 T = 252.9 K – 353.7 K H. Suzuki, A. Inaba, J. Krawczyk, M. Massalska-Arodź, T. Kikuchi, O. Yamamuro,Journal of Non-Crystalline Solids, 357 (2011) 734

  38. Skala czasowa • Średni czas między przeskokami (czas korelacji)  • Zależność  (T) → energia aktywacji • Stała dyfuzji translacyjnej • Geometria ruchu • Reorientacja – dyfuzja translacyjna • Cała molekuła – grupa molekularna (promień reorientacji, deuteracja) • Przeskoki (o jaki kąt?) – dyfuzja rotacyjna • Nieruchome atomy • Udział w kilku ruchach

More Related