El uso de grandes instalaciones científicas para el estudio de la física de la ... · 2017. 12. 5. · LA DISPERSIÓN DE RAYOS X (SINCROTRÓN) Y LA MATERIA CONDENSADA BLAN. Cristalización

VI CURSO DE INICIACIÓN A LA INVESTIGACIÓN EN ESTRUCTURA DE LA MATERIA

Departamento de Física Macromolecular

Grupo de Dinámica y Estructura de Materia Condensada Blanda

http://www.iem.cfmac.csic.es/fmacro/softmatpol/

El uso de grandes instalaciones científicas para el estudio de la física de la materia condensada blanda

ALEJANDRO SANZ PARRAS

• GRANDES INSTALACIONES CIENTÍFICAS: FUENTES DE NEUTRONES

Y DE LUZ SINCROTRÓN

• MATERIA CONDENSADA BLANDA

• APLICACIONES DE LA RADIACIÓN DE NEUTRONES Y DE LA LUZ

SINCROTRÓN A LA FÍSICA DE LA MATERIA CONDENSADA BLANDA

GRANDES INSTALACIONES CIENTÍFICAS

• 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


REALIZACIÓN DEL

EXPERIMENTO

ANÁLISIS DE LOS DATOS PUBLICACIÓN ?


FUENTES DE NEUTRONES

El neutrón como prueba

-

Estado estructural del material

- Dinámica microscópica con información

geométrica y temporal

-

Estructuras magnéticas

Características del neutrón

-

longitudes de onda entre 0.1 y cientos de Å

- carga neutra

- espín 1/2

-

interacción con los núcleos atómicos

-

masa = 1.6 x 10-27

Kg



Fuente de espalación

protones alta energía

diana de átomos

pesados (W, Hg)

neutrones de alta energía (MeV)

proceso de moderación,

enfriamiento o ralentización

(D2

O, CH4

, H2

…)

conducción de los neutrones hacia las guías experimentales

Reactor nuclear



reacción en cadena de fisión de uranio enriquecido U235

U235 U236

Kr92

Ba141

neutrones

calientes (MeV)

Reactor nuclear



Instituto Laue-Langevin (Grenoble, Francia)



Reactor nuclearFuente de espalación

ISIS (Oxford, Reino Unido)

ORNL (Tennessee, Estados Unidos)

LANSCE (Los Alamos, Estados Unidos)

SINQ (Villigen, Suiza)

J-PARC (Ibaraki, Japan)

Instituto Laue-Langevin (Grenoble, Francia)

Laboratorio Leon Brillouin (Saclay, Francia)

FRM-II (Munich, Alemania)

Instituto Bragg, ANSTO (Australia)

FUENTE DE ESPALACIÓN EUROPEA (ESS)

Debrecen (Hungría) ?

Lund (Suecia) ?

Bilbao (España) ?

LUZ SINCROTRÓN


electrones circulando a velocidades

relativistas en un anillo en ultra-vacío

anillo de almacenamiento

espectro de emisión desde el IR lejano hasta el límitecon los rayos γ

(10-5 →10-13

m)

radiación altamente polarizada

alta intensidad (experimentos en tiempo real)

haz pulsado temporalmente

escasa divergencia

1901-1988

16 Premios Nobel

relacionados con los raxos x

EUROPA

Alemania

Dinamarca

España

Francia

Italia

Reino Unido

Suecia

SuizaASIA

Corea del Sur

China

India

Japón

Singapur

Taiwán

Australia

AMÉRICA

Estados Unidos

Canadá

Brasil

LUZ SINCROTRÓN


Radiación sincrotrón

SINCROTRÓN ALBA (Barcelona)

(en fase de construcción)

LUZ SINCROTRÓN


http://www.cells.es/

SINCROTRÓN ALBA (Barcelona)

(en fase de construcción)

LUZ SINCROTRÓN


http://www.cells.es/

‘Non Crystalline

Diffraction

for

life

and

material sciences

with

modular microfocus

option

on ALBA

Presentada en Diciembre 2004 Aprobada en Mayo 2005

Primeros usuarios en 2010!!!


ILL

ESRF

Grenoble, Francia

MATERIA CONDENSADA BLANDA

No son simples líquidos

No son simples sólidos cristalinos

• Importancia de las longitudes de escala intermedias (decenas de

nanómetros)

• Gran número de grados de libertad con interacciones muy débiles entre las

unidades estructurales. Son sistemas en continuo movimiento al azar Browniano

( (

((((

( (

( ( (

(

((

((

((((

((

((

((

((((((

((

((

(( Auto-organización

entropía entalpía


POLÍMEROS

CRISTALES

LÍQUIDOS


POLÍMEROS

CRISTALES

LÍQUIDOS

MEMBRANAS


POLÍMEROS

CRISTALES

LÍQUIDOS

MEMBRANASSISTEMAS

FORMADORES

DE VIDRIO

LA DISPERSIÓN DE NEUTRONES Y LA MATERIA CONDENSADA BLANDA

Estado cristalino

Estado amorfo

• dinámica de la cadena (Spin

echo, dispersión quasielástica)

• movimiento de grupos laterales (dispersión cuasielástica)

• conformación de la macromolécula (dipersión

de neutrones a ángulo bajo)

• superficies e interfases (reflectividad de neutrones)

• estructura cristalina (difracción de neutrones)

• morfología cristalina (SANS)

• conformación de la macromolécula (dispersión de neutrones a ángulo bajo)

• vibraciones cristalinas (dispersión inelástica de neutrones)


θii Ekrr

,ff Ekrr

, Ωd

Qr

fi EEE −== ωh

( )fi kkQ −= transferencia de momento (distancia de correlación)

transferencia de energía

E = 0 → dispersión elástica

(estructura)

E ≠

0 → dispersión inelástica

(excitaciones, dinámica)

( )θλπ senQ 4

=d

Q π2=

),(2

EQSE

Δ∝∂Ω∂

∂ σ


AMORFO CRISTAL

DIFRACCIÓN DE NEUTRONES

(estructura)

DISPERSIÓN CUASIELÁSTICA

(dinámica: tiempo de relajación,

geometría)

A. Sanz, M. Jimenez-Ruiz, A. Nogales, D. Martin y T.A. Ezquerra. Physical Review Letters, (2004) Vol. 93, 1, 015503

A. Sanz, H.C. Wong, J. F. Douglas y J. T. Cabral. Journal of Physics Condensed Matter, (2008) Vol. 20, 104209-7

LA DISPERSIÓN DE RAYOS X (SINCROTRÓN) Y LA MATERIA CONDENSADA BLAN

Estudio de su dinámica

-

Dinámica lenta (espectroscopia de correlación rayos x, XPCS)

-

Dinámica rápida (dispersión inelástica de rayos x, IXS)

Estudio de la estructura: técnicas en el espacio recíproco

-

Estructura corto alcance (dispersión de rayos x a ángulo alto, WAXS)

-

Estructura largo alcance (dispersión de rayos x a ángulo bajo, SAXS)

Estudio de la estructura: técnicas en el espacio real

-

Microtomografía

de rayos x (imágenes 3D con resolución 0.3 –

30 μm)


Cristalización

de polímeros

en tiempo

real: efectos

sobre

la dinámica

de la fase

amorfa

remanente

el uso de técnicas simultáneas

SAXSWAXS

Espectroscopia

dieléctrica

(correlaciones largo alcance)(fracción cristalina)

(fenómenos de relajación)

10 nm

DS WAXS SAXS

T = 333 K

el uso simultáneo de técnicas de difracción y espectroscopia dieléctrica:

cristalización desde el estado vítreo de PBI


Amorfo inicial

Primer régimen de cristalización

Segundo régimen decristalización

RAP

Relajación α

restringida dinámicamente


A. Sanz, A. Nogales, N. Lotti y T. A. Ezquerra . Polymer. (2006) 47, 1281

Mari Cruz García

Amelia Linares

Daniel Rueda

Grupo de dinámica y estructura de la

materia condensada blanda

•

Tiberio Ezquerra

•

Jaime Hernández

•

Aurora Nogales

•

Alejandro Sanz

Departamento de Física Macromolecular. Instituto de Estructura de la

Materia

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materia condensada blanda

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