Blog

Jun 15, 2023

Spectroscopie d'écho de spin neutronique avec un échantillon en mouvement

Scientific Reports volume 13, Numéro d'article : 13051 (2023) Citer cet article 224 Accès 1 Détails d'Altmetric Metrics La spectroscopie d'écho de spin neutronique est une diffusion inélastique de neutrons à haute résolution

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 13051 (2023) Citer cet article

224 accès

1 Altmétrique

Détails des métriques

La spectroscopie d'écho de spin neutronique est une méthode de diffusion inélastique de neutrons à haute résolution sondant la dynamique des nanosecondes. Il est bien adapté à l’étude du mouvement atomistique dans les systèmes polymères et contribue à notre compréhension de la viscoélasticité. Cependant, pour les échantillons soumis à un cisaillement ou pour les échantillons en mouvement en général, la diffusion Doppler doit être prise en compte. Nous comparons le déphasage et la dépolarisation mesurés dus à la diffusion Doppler d'un disque de graphite en rotation aux calculs numériques et analytiques et trouvons un excellent accord. Cela permet de prendre en compte la diffusion Doppler lors du traitement des données et rend possible des temps de Fourier plus longs ainsi que des taux de cisaillement et des plages Q plus élevés avec la spectroscopie d'écho de spin neutronique, permettant par exemple l'étude de polymères soumis à un cisaillement élevé.

Les propriétés spécifiques des neutrons offrent plusieurs caractéristiques uniques pour l'étude des matériaux. Le fait que le neutron ait une masse au repos se traduit par une énergie nettement inférieure à celle des photons de longueur d’onde nm. En conséquence, les neutrons constituent une excellente sonde pour l'étude des excitations de faible énergie, telles que les phonons ou les rotations moléculaires, ainsi que pour l'étude de la diffusion via ce que l'on appelle la diffusion quasi-élastique1,2.

En fonction des échelles d'énergie et de temps d'intérêt, différentes méthodes de diffusion sont disponibles. La meilleure résolution énergétique ou les échelles de temps les plus longues sont atteintes sur les spectromètres à écho de spin neutronique (NSE) et ils sont les mieux adaptés à l'étude des dynamiques lentes3. En plus de sa faible énergie, le neutron est sensible au noyau et donc l'échange isotopique permet d'introduire du contraste dans un échantillon constitué des mêmes éléments chimiques. Un autre avantage de l'interaction nucléaire des neutrons avec la matière est l'apparition d'une diffusion incohérente, qui permet d'étudier la diffusion des traceurs sans avoir à introduire de particules traceuses. Ces faits combinés à l'excellente résolution énergétique du NSE ont permis de vérifier expérimentalement les théories sur la dynamique des polymères, telles que le modèle de reptation4 et ses extensions, par exemple les fluctuations de longueur de contour5 et la libération de contraintes6. La dynamique complexe et lente des polymères a un impact important sur leurs propriétés rhéologiques et entraîne une viscoélasticité, par exemple une viscosité qui dépend du taux de cisaillement. Cependant, jusqu'à présent, les expériences NSE étaient presque exclusivement réalisées sur des échantillons au repos, alors qu'une compréhension détaillée de la dynamique moléculaire sous cisaillement est nécessaire pour bien comprendre la viscoélasticité et que les simulations informatiques indiquent des changements dans la fonction de diffusion intermédiaire des polymères exposés à des taux de cisaillement élevés (Weissenberg nombre (Wi) supérieur à 1)7.

Contrairement au NSE, la diffusion des neutrons aux petits angles (SANS) est effectuée de manière routinière. Rheo-SANS est une technique puissante qui peut fournir des informations sur le comportement macroscopique et microscopique des matériaux. À l'échelle macroscopique, les mesures de rhéologie fournissent des informations sur les propriétés viscoélastiques du matériau, telles que son module de cisaillement et sa viscosité. À l'échelle microscopique, SANS fournit des informations sur la structure nanoscopique du matériau, comme la taille et la distribution des particules ou la conformation et l'auto-assemblage des chaînes moléculaires. En combinant ces deux techniques, Rheo-SANS peut révéler comment les propriétés microstructurales d'un matériau influencent son comportement d'écoulement macroscopique, et vice versa8. Dans les expériences rhéologiques, le cisaillement est souvent appliqué soit dans une géométrie Couette ou cône-plan. La géométrie cône-plan est préférable pour les échantillons à haute viscosité, tels que les polymères fondus.

Dans le cas de vitesses d'échantillon de l'ordre de la vitesse des neutrons, la diffusion Doppler peut engendrer un changement de l'angle de diffusion des neutrons, comme le montrent les expériences de diffraction utilisant un cristal en rotation9 et les études SANS sur les gouttelettes d'aérosol volant parallèlement au transfert d'impulsion des neutrons, Q, à la même vitesse que les neutrons10. Pour les expériences de rhéologie typiques, la vitesse de l'échantillon \(v_s\) est de l'ordre de m/s et donc nettement plus lente que la vitesse des neutrons \(v_n\) d'environ 300 m/s et aucun changement de l'angle de diffusion n'est attendu. Cependant, la diffusion inélastique des neutrons à haute résolution est capable de détecter des changements d'énergie de l'ordre de 1 % de l'énergie des neutrons, voire en dessous, et est donc sensible à la diffusion Doppler à ces vitesses relativement lentes, comme le montrent la rétrodiffusion des neutrons11 et la spectroscopie NSE12, 13 sur les liquides cisaillés et par NSE sur les réseaux de lignes de flux mobiles dans un supraconducteur14. Pour étudier la dynamique moléculaire sous cisaillement, la diffusion Doppler doit être connue et pour la diffusion quasiélastique, il a été montré que la dynamique moléculaire peut être extraite des ailes du spectre indépendamment de la diffusion Doppler et d'une anisotropie dans la diffusivité des micelles polymères. a été signalé sous cisaillement16,17.