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difracción de neutrones

La difracción de neutrones o dispersión elástica de neutrones es la aplicación de la dispersión de neutrones para determinar la estructura atómica y/o magnética de un material. ...

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La difracción de neutrones o dispersión elástica de neutrones es la aplicación de la dispersión de neutrones para determinar la estructura atómica y/o magnética de un material. Una muestra a examinar se coloca en un haz de neutrones térmicos o fríos para obtener un patrón de difracción que proporciona información sobre la estructura del material. La técnica es similar a la difracción de rayos X , pero, debido a sus diferentes propiedades de dispersión, los neutrones y los rayos X proporcionan información complementaria: los rayos X son adecuados para análisis superficiales, los rayos X intensos de la radiación sincrotrón son adecuados para profundidades superficiales o muestras delgadas, mientras que los neutrones, con su alta profundidad de penetración, son adecuados para muestras de mayor volumen. [ 1 ]

Historia

Descubrimiento del neutrón

En 1921, el químico y físico estadounidense William D. Harkins introdujo el término " neutrón " mientras estudiaba la estructura atómica y las reacciones nucleares . Propuso la existencia de una partícula neutra dentro del núcleo atómico , aunque en ese momento no había evidencia experimental de ello. [ 2 ] En 1932, el físico británico James Chadwick proporcionó pruebas experimentales de la existencia del neutrón. Su descubrimiento confirmó la presencia de esta partícula subatómica neutra , lo que le valió el Premio Nobel de Física en 1935. La investigación de Chadwick estuvo influenciada por trabajos anteriores de Irène y Frédéric Joliot-Curie , quienes habían detectado radiación neutra inexplicable pero no la habían reconocido como una partícula distinta. [ 3 ] Los neutrones son partículas subatómicas que existen en el núcleo del átomo, tienen mayor masa que los protones pero carga eléctrica [neta] cero.

En la década de 1930, Enrico Fermi y sus colegas realizaron contribuciones teóricas que sentaron las bases de la dispersión de neutrones . Fermi desarrolló un marco para comprender cómo interactúan los neutrones con los núcleos atómicos. [ 4 ]

Primeros trabajos de difracción

La difracción fue observada por primera vez en 1936 [ 5 ] por dos grupos, von Halban y Preiswerk [ 6 ] y Mitchell y Powers [ 7 ] . En 1944, Ernest O. Wollan , con experiencia en dispersión de rayos X gracias a su trabajo de doctorado [ 8 ] bajo la dirección de Arthur Compton , reconoció el potencial de aplicar los neutrones térmicos del reactor nuclear X-10 , recientemente operativo , a la cristalografía . Junto con Clifford G. Shull , desarrollaron [ 9 ] la difracción de neutrones a lo largo de la década de 1940.

En 1945 , Ernest O. Wollan realizó experimentos de difracción de neutrones utilizando el reactor de grafito de Oak Ridge . Poco después (junio de 1946) [ 10 ] , se le unió Clifford Shull , y juntos establecieron los principios básicos de la técnica y la aplicaron con éxito a diversos materiales, abordando problemas como la estructura del hielo y la disposición microscópica de los momentos magnéticos en los materiales. Por este logro, Shull recibió la mitad del Premio Nobel de Física de 1994. (Wollan falleció en 1984). (La otra mitad del Premio Nobel de Física de 1994 fue otorgada a Bert Brockhouse por el desarrollo de la técnica de dispersión inelástica en las instalaciones de Chalk River del AECL . Esto también implicó la invención del espectrómetro de triple eje).

Décadas de 1950 y 1960

Surgió el desarrollo de fuentes de neutrones como reactores nucleares y fuentes de espalación . Esto permitió obtener haces de neutrones de alta intensidad , posibilitando experimentos avanzados de dispersión. En particular, el Reactor de Isótopos de Alto Flujo (HFIR) en Oak Ridge y el Instituto Laue-Langevin (ILL) en Grenoble, Francia, se consolidaron como instituciones clave para los estudios de dispersión de neutrones. [ 11 ]

Décadas de 1970 a 1980

Este período vio avances importantes en las técnicas de dispersión de neutrones mediante el desarrollo de técnicas para explorar diferentes aspectos de la ciencia de los materiales: estructura y comportamiento. [ 12 ]

Dispersión de neutrones a ángulo pequeño (SANS): Se utiliza para investigar características estructurales a gran escala en materiales. Los trabajos de Glatter y Kratky también contribuyeron a los avances de este método, aunque se desarrolló principalmente para rayos X. [ 12 ]

Dispersión inelástica de neutrones (INS): Proporciona información sobre el proceso dinámico a nivel microscópico. Se utiliza principalmente para examinar los movimientos atómicos y moleculares. [ 12 ]

En 1949, Ernest Wollan y Clifford Shull llevaron a cabo experimentos utilizando un espectrómetro de neutrones de doble cristal situado en el lado sur del reactor de grafito del ORNL para recopilar datos.

1990-present

Los avances recientes se centran en la mejora de las fuentes, mediante el uso de detectores sofisticados y técnicas computacionales avanzadas. Se han desarrollado fuentes de espalación en la Fuente de Neutrones por Espalación (SNS) en EE. UU. y en la Fuente de Neutrones y Muones ISIS en el Reino Unido, capaces de generar haces de neutrones pulsados ​​para experimentos de tiempo de vuelo . También se han desarrollado técnicas de imagen y reflectometría de neutrones , herramientas poderosas para analizar superficies, interfaces y estructuras de películas delgadas, lo que proporciona información valiosa sobre las propiedades de los materiales.

Comparación de la dispersión de neutrones, la difracción de rayos X y la dispersión de electrones.

Principio

Procesos

Los neutrones se producen mediante tres procesos principales: fisión, espalación y reacciones nucleares de baja energía.

Fisión

En los reactores de investigación, la fisión se produce cuando un núcleo fisionable, como el uranio-235 ( ²³⁵U ), absorbe un neutrón y posteriormente se divide en dos fragmentos más pequeños. Este proceso libera energía junto con neutrones adicionales. En promedio, cada evento de fisión produce aproximadamente 2,5 neutrones. Si bien se requiere un neutrón para mantener la reacción en cadena , los neutrones sobrantes pueden utilizarse para diversas aplicaciones experimentales. [ 18 ]

Espalación

En las fuentes de espalación, protones de alta energía (del orden de 1 GeV ) bombardean un blanco de metal pesado (por ejemplo, uranio (U), tungsteno (W), tantalio (Ta), plomo (Pb) o mercurio (Hg)). Esta interacción provoca que los núcleos expulsen neutrones. Las interacciones de protones dan como resultado entre diez y treinta neutrones por evento, de los cuales la mayoría se conocen como "neutrones de evaporación" (~2 MeV), mientras que una minoría se conoce como "neutrones de cascada" con energías que alcanzan el rango de GeV. Aunque la espalación es una técnica muy eficiente de producción de neutrones, genera partículas de alta energía, por lo que requiere blindaje para mayor seguridad. [ 19 ]

Tres procesos fundamentales principales que generan neutrones para experimentos de dispersión: fisión nuclear (arriba), espalación (medio), reacción de baja energía (abajo) [ 20 ].

Reacciones nucleares de baja energía

Las reacciones nucleares de baja energía son la base de la producción de neutrones en fuentes impulsadas por aceleradores. Los materiales objetivo seleccionados se basan en los niveles de energía; los metales más ligeros, como el litio (Li) y el berilio (Be), pueden utilizarse para alcanzar su máxima tasa de reacción posible por debajo de 30  MeV, mientras que los elementos más pesados, como el tungsteno (W) y el carbono (C), proporcionan un mejor rendimiento por encima de 312  MeV. Estas fuentes compactas de neutrones impulsadas por aceleradores (CANS) han madurado y ahora se aproximan al rendimiento de las fuentes de fisión y espalación. [ 21 ]

Relación de De Broglie

La dispersión de neutrones se basa en la naturaleza dual onda-partícula de los neutrones. La relación de De Broglie vincula la longitud de onda ( λ ) de un neutrón con su energía ( E ) [ 19 ].λ=h/pag=h/metrov{\displaystyle \lambda =h/p=h/mv} donde h es la constante de Planck, p es el momento del neutrón, m es la masa del neutrón y v es la velocidad del neutrón.

Dispersión

La dispersión de neutrones se utiliza para detectar la distancia entre átomos y estudiar la dinámica de los materiales. Implica dos principios principales: la dispersión elástica y la dispersión inelástica .

La dispersión elástica permite comprender las propiedades estructurales de los materiales al observar los ángulos en los que se dispersan los neutrones. El patrón de dispersión resultante proporciona información sobre la estructura atómica de cristales, líquidos y materiales amorfos. [ 13 ]

La dispersión inelástica se centra en la dinámica de los materiales mediante el estudio de los cambios de energía y momento de los neutrones durante las interacciones. Es fundamental para estudiar los fonones, magnones y otras excitaciones de los materiales sólidos. [ 22 ]

interacción neutrón-materia

Los rayos X interactúan con la materia mediante interacción electrostática al interactuar con la nube electrónica de los átomos, lo que limita su aplicación ya que pueden dispersarse fuertemente por los electrones. Si bien son neutros, los neutrones interactúan principalmente con la materia a través de la fuerza fuerte de corto alcance con los núcleos atómicos. Los núcleos son mucho más pequeños que la nube electrónica, lo que significa que la mayoría de los materiales son transparentes a los neutrones y permiten una mayor penetración. La interacción entre neutrones y núcleos se describe mediante el pseudopotencial de Fermi , es decir, los neutrones están muy por encima de su umbral de masa de mesón , y por lo tanto pueden tratarse eficazmente como dispersores puntuales . Si bien la mayoría de los elementos tienen una baja tendencia a absorber neutrones, algunos como el cadmio (Cd), el gadolinio (Gd), el helio ( ³He ), el litio ( ⁶Li ) y el boro ( ¹⁰B ) exhiben una fuerte absorción de neutrones debido a efectos de resonancia nuclear. La probabilidad de absorción aumenta con la longitud de onda del neutrón ( σa ∝ λ ), lo que significa que los neutrones más lentos se absorben más fácilmente que los más rápidos. [ 23 ] [ 24 ]

Requisitos instrumentales y de muestras

La técnica requiere una fuente de neutrones. Los neutrones se producen generalmente en un reactor nuclear o en una fuente de espalación . En un reactor de investigación , se necesitan otros componentes, incluido un monocromador de cristal (en el caso de neutrones térmicos), así como filtros para seleccionar la longitud de onda de neutrones deseada. Algunas partes del montaje también pueden ser móviles. Para los neutrones de longitud de onda larga, no se pueden usar cristales, y en su lugar se utilizan rejillas como componentes ópticos difractivos. [ 25 ] En una fuente de espalación, se utiliza la técnica de tiempo de vuelo para clasificar las energías de los neutrones incidentes (los neutrones de mayor energía son más rápidos), por lo que no se necesita un monocromador, sino una serie de elementos de apertura sincronizados para filtrar pulsos de neutrones con la longitud de onda deseada.

La técnica se realiza con mayor frecuencia mediante difracción de polvo , que solo requiere un polvo policristalino. También es posible la difracción de monocristal , pero los cristales deben ser mucho más grandes que los que se utilizan en la cristalografía de rayos X de monocristal . Es común utilizar cristales de aproximadamente 1  mm³ . [ 26 ]

Esta técnica también requiere un dispositivo capaz de detectar los neutrones después de que se hayan dispersado.

En resumen, la principal desventaja de la difracción de neutrones es la necesidad de un reactor nuclear. Para el trabajo con monocristales, la técnica requiere cristales relativamente grandes, cuyo crecimiento suele ser complejo. Las ventajas de la técnica son numerosas: sensibilidad a átomos ligeros, capacidad para distinguir isótopos, ausencia de daño por radiación [ 26 ] y una profundidad de penetración de varios centímetros [ 1 ] .

Dispersión nuclear

Como todas las partículas cuánticas , los neutrones pueden exhibir fenómenos ondulatorios típicamente asociados con la luz o el sonido. La difracción es uno de estos fenómenos; ocurre cuando las ondas encuentran obstáculos cuyo tamaño es comparable con la longitud de onda . Si la longitud de onda de una partícula cuántica es lo suficientemente corta, los átomos o sus núcleos pueden servir como obstáculos de difracción. Cuando un haz de neutrones que emana de un reactor se ralentiza y se selecciona adecuadamente por su velocidad, su longitud de onda se encuentra cerca de un angstrom (0,1 nm  ), la separación típica entre átomos en un material sólido. Dicho haz puede utilizarse para realizar un experimento de difracción. Al incidir sobre una muestra cristalina, se dispersará en un número limitado de ángulos bien definidos, según la misma ley de Bragg que describe la difracción de rayos X.

Los neutrones y los rayos X interactúan con la materia de manera diferente. Los rayos X interactúan principalmente con la nube electrónica que rodea a cada átomo. Por lo tanto, la contribución a la intensidad de los rayos X difractados es mayor para los átomos con mayor número atómico (Z) . Por otro lado, los neutrones interactúan directamente con el núcleo del átomo, y la contribución a la intensidad difractada depende de cada isótopo ; por ejemplo, el hidrógeno y el deuterio contribuyen de manera diferente. También es frecuente que los átomos ligeros (de bajo Z) contribuyan fuertemente a la intensidad difractada, incluso en presencia de átomos de alto Z. La longitud de dispersión varía de un isótopo a otro, en lugar de ser lineal con el número atómico. Un elemento como el vanadio dispersa fuertemente los rayos X, pero sus núcleos apenas dispersan los neutrones, razón por la cual se usa a menudo como material contenedor. La difracción de neutrones no magnéticos es directamente sensible a las posiciones de los núcleos de los átomos.

Los núcleos atómicos, desde los cuales se dispersan los neutrones, son diminutos. Además, no se necesita un factor de forma atómico para describir la forma de la nube electrónica del átomo, y el poder de dispersión de un átomo no disminuye con el ángulo de dispersión como ocurre con los rayos X. Por lo tanto, los difractogramas pueden mostrar picos de difracción fuertes y bien definidos incluso en ángulos elevados, especialmente si el experimento se realiza a bajas temperaturas. Muchas fuentes de neutrones están equipadas con sistemas de enfriamiento de helio líquido que permiten la recolección de datos a temperaturas de hasta 4,2  K. La excelente información de alto ángulo (es decir, de alta resolución ) significa que las posiciones atómicas en la estructura se pueden determinar con alta precisión. Por otro lado, los mapas de Fourier (y en menor medida los mapas de Fourier diferenciales ) derivados de datos de neutrones sufren errores de terminación de serie, a veces tan grandes que los resultados carecen de sentido.

Dispersión magnética

Aunque los neutrones no tienen carga, poseen un momento magnético y, por lo tanto, interactúan con los momentos magnéticos, incluidos los que surgen de la nube electrónica alrededor de un átomo. Por consiguiente, la difracción de neutrones puede revelar la estructura magnética microscópica de un material. [ 27 ]

La dispersión magnética sí requiere un factor de forma atómico , ya que es causada por la nube electrónica mucho mayor que rodea al pequeño núcleo. Por lo tanto, la intensidad de la contribución magnética a los picos de difracción disminuirá hacia ángulos mayores.

Usos

La difracción de neutrones se puede utilizar para determinar el factor de estructura estática de gases , líquidos o sólidos amorfos . Sin embargo, la mayoría de los experimentos se centran en la estructura de sólidos cristalinos, lo que convierte a la difracción de neutrones en una herramienta importante de la cristalografía .

La difracción de neutrones está estrechamente relacionada con la difracción de rayos X en polvo . [ 28 ] De hecho, la versión monocristalina de la técnica se usa con menos frecuencia porque las fuentes de neutrones disponibles actualmente requieren muestras relativamente grandes y los monocristales grandes son difíciles o imposibles de conseguir para la mayoría de los materiales. Sin embargo, los avances futuros podrían cambiar este panorama. Dado que los datos suelen ser un difractograma de polvo 1D, generalmente se procesan utilizando el refinamiento de Rietveld . De hecho, este último tuvo su origen en la difracción de neutrones (en Petten, Países Bajos) y posteriormente se extendió para su uso en la difracción de rayos X.

Una aplicación práctica de la dispersión/difracción elástica de neutrones es que la constante de red de metales y otros materiales cristalinos se puede medir con gran precisión. Junto con un microposicionador alineado con precisión, se puede obtener un mapa de la constante de red a través del metal. Esto se puede convertir fácilmente en el campo de tensión que experimenta el material. [ 1 ] Esto se ha utilizado para analizar tensiones en componentes aeroespaciales y automotrices , por mencionar solo dos ejemplos. La gran profundidad de penetración permite medir tensiones residuales en componentes masivos como cigüeñales, pistones, rieles y engranajes. Esta técnica ha llevado al desarrollo de difractómetros de tensión específicos, como el instrumento ENGIN-X en la fuente de neutrones ISIS .

La difracción de neutrones también puede emplearse para obtener información sobre la estructura 3D de cualquier material que difracte. [ 29 ] [ 30 ]

Otro uso es para la determinación del número de solvatación de pares iónicos en soluciones electrolíticas.

El efecto de dispersión magnética se ha utilizado desde el desarrollo de la técnica de difracción de neutrones para cuantificar momentos magnéticos en materiales y estudiar la orientación y estructura de los dipolos magnéticos. Una de las primeras aplicaciones de la difracción de neutrones fue el estudio de las orientaciones de los dipolos magnéticos en óxidos de metales de transición antiferromagnéticos , como los de manganeso, hierro, níquel y cobalto. Estos experimentos, realizados por primera vez por Clifford Shull, fueron los primeros en demostrar la existencia de la disposición antiferromagnética de los dipolos magnéticos en la estructura de un material. [ 31 ] La difracción de neutrones continúa utilizándose para caracterizar materiales magnéticos de reciente desarrollo.

Hidrógeno, dispersión nula y variación de contraste

La difracción de neutrones permite determinar la estructura de materiales de bajo número atómico, como proteínas y tensioactivos, con mucha más facilidad y a menor flujo que en una fuente de radiación sincrotrón. Esto se debe a que algunos materiales de bajo número atómico presentan una mayor sección transversal de interacción con neutrones que los materiales de mayor peso atómico.

Una de las principales ventajas de la difracción de neutrones sobre la difracción de rayos X es que esta última es bastante insensible a la presencia de hidrógeno (H) en una estructura, mientras que los núcleos ¹H y ²H (es decir, deuterio , D) son dispersores fuertes de neutrones. El mayor poder de dispersión de protones y deuterones implica que la posición del hidrógeno en un cristal y sus movimientos térmicos pueden determinarse con mayor precisión mediante difracción de neutrones. Las estructuras de complejos de hidruros metálicos , por ejemplo, Mg₂FeH₆ , se han evaluado mediante difracción de neutrones . [ 32 ]

Las longitudes de dispersión de neutrones b H = −3,7406(11) fm [ 33 ] y b D = 6,671(4) fm, [ 33 ] para H y D respectivamente, tienen signo opuesto, lo que permite a la técnica distinguirlas. De hecho, existe una relación isotópica particular para la cual la contribución del elemento se cancelaría; esto se denomina dispersión nula.

No es conveniente trabajar con la concentración relativamente alta de H en una muestra. La intensidad de dispersión de los núcleos de H tiene un gran componente inelástico, lo que crea un fondo continuo amplio que es más o menos independiente del ángulo de dispersión. El patrón elástico suele consistir en reflexiones de Bragg nítidas si la muestra es cristalina. Estas tienden a quedar enmascaradas por el fondo inelástico. Esto es aún más grave cuando la técnica se utiliza para el estudio de la estructura de líquidos. Sin embargo, al preparar muestras con diferentes proporciones isotópicas, es posible variar el contraste de dispersión lo suficiente como para resaltar un elemento en una estructura que, de otro modo, sería compleja. La variación de otros elementos es posible, pero suele ser bastante costosa. El hidrógeno es económico y particularmente interesante, ya que desempeña un papel excepcionalmente importante en las estructuras bioquímicas y es difícil de estudiar estructuralmente por otros medios.

Aplicaciones

Estudio de materiales de almacenamiento de hidrógeno

Dado que la difracción de neutrones es particularmente sensible a elementos ligeros como el hidrógeno , puede utilizarse para su detección. Puede contribuir a determinar la estructura cristalina y los sitios de unión del hidrógeno en los hidruros metálicos , una clase de materiales de interés para aplicaciones de almacenamiento de hidrógeno. El orden de los átomos de hidrógeno en la red refleja la capacidad de almacenamiento y la cinética del material. [ 34 ]

Determinación de la estructura magnética

La difracción de neutrones también es una técnica útil para determinar estructuras magnéticas en materiales, ya que los neutrones pueden interactuar con los momentos magnéticos. Se puede utilizar para determinar la estructura antiferromagnética del óxido de manganeso (MnO) mediante difracción de neutrones. Los estudios de difracción de neutrones se pueden utilizar para medir el momento magnético . El estudio de orientación demuestra cómo la difracción de neutrones puede detectar la alineación precisa del momento magnético en los materiales, algo mucho más difícil con rayos X. [ 35 ]

Transición de fase en materiales ferroeléctricos

La difracción de neutrones se ha empleado ampliamente para comprender las transiciones de fase en materiales, incluidos los ferroeléctricos , que muestran la transición de la estructura cristalina con la temperatura o la presión . Puede utilizarse para estudiar la transición de fase ferroeléctrica en el titanato de plomo (PbTiO₃ ) . Permite analizar los desplazamientos atómicos y las correspondientes distorsiones de la red. [ 36 ]

Análisis de tensiones residuales en materiales de ingeniería

La difracción de neutrones puede utilizarse como técnica para la evaluación no destructiva de tensiones residuales en materiales de ingeniería, incluidos metales y aleaciones . También se utiliza para medir tensiones residuales en materiales de ingeniería. [ 37 ]

Baterías de iones de litio

La difracción de neutrones es especialmente útil para la investigación de materiales de baterías de iones de litio , ya que los átomos de litio son casi opacos a la radiación de rayos X. Además, puede utilizarse para investigar la evolución estructural de los materiales del cátodo de las baterías de iones de litio durante los ciclos de carga y descarga. [ 38 ]

Superconductores de alta temperatura

La difracción de neutrones ha desempeñado un papel importante en la revelación de las estructuras cristalinas y magnéticas en superconductores de alta temperatura . Se realizó un estudio de difracción de neutrones del orden magnético en el superconductor de alta temperatura YBa₂Cu₃O₆⁺ₓ . El trabajo de cada uno de estos equipos científicos , junto con otros en todo el mundo , ha revelado los orígenes de la relación entre el orden magnético y la superconductividad , proporcionando información crucial sobre el mecanismo de la superconductividad de alta temperatura . [ 39 ]

Comportamiento mecánico de las aleaciones

Los avances en la difracción de neutrones han facilitado las investigaciones in situ de la deformación mecánica de aleaciones bajo carga, permitiendo observar los mecanismos de deformación . El comportamiento de deformación de las aleaciones de titanio bajo cargas mecánicas puede investigarse mediante difracción de neutrones in situ. Esta técnica permite la monitorización en tiempo real de las deformaciones de la red cristalina y las transformaciones de fase durante la deformación. [ 40 ]

La difracción de neutrones, utilizada junto con simulaciones moleculares, reveló que el dominio sensor de voltaje de un canal iónico (molécula roja, amarilla y azul en el centro) perturba la membrana celular de dos capas que lo rodea (superficies amarillas), lo que provoca que la membrana se adelgace ligeramente.

Difracción de neutrones para canales iónicos

La difracción de neutrones se puede utilizar para estudiar los canales iónicos, revelando cómo interactúan los neutrones con las estructuras biológicas y mostrando detalles atómicos. Esta técnica es particularmente sensible a elementos ligeros como el hidrógeno, lo que la hace ideal para mapear moléculas de agua, posiciones iónicas y enlaces de hidrógeno dentro del canal. Mediante el análisis de los patrones de dispersión de neutrones, los investigadores pueden determinar los sitios de unión de iones, las estructuras de hidratación y los cambios conformacionales esenciales para el transporte y la selectividad iónica.

Últimos avances en la difracción de neutrones

Avances en la investigación de la difracción de neutrones

La difracción de neutrones ha experimentado un progreso significativo, especialmente en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL), que cuenta con un conjunto de 12 difractómetros: siete en la Fuente de Neutrones por Espalación (SNS) y cinco en el Reactor de Isótopos de Alto Flujo (HFIR). Estos instrumentos están diseñados para diferentes aplicaciones y se agrupan en tres categorías: difracción de polvo , difracción de monocristal y técnicas de difracción avanzadas.

Para seguir mejorando la investigación sobre difracción de neutrones, ORNL está llevando a cabo varios proyectos clave:

  • Ampliación de la primera estación de investigación del SNS: Se están instalando nuevas líneas de haz equipadas con instrumentos de última generación para ampliar el alcance de las investigaciones científicas.
  • Mejora de la potencia de protones: Esta iniciativa tiene como objetivo duplicar la potencia de protones utilizada para la producción de neutrones, lo que mejorará la eficiencia de la investigación, permitirá el estudio de muestras más pequeñas y complejas, y apoyará el desarrollo eventual de una fuente de neutrones de próxima generación en SNS.
  • Desarrollo de la segunda estación de blancos del SNS: Se está construyendo una nueva instalación para albergar 22 líneas de haces, lo que la convertirá en una fuente líder para la investigación con neutrones fríos, crucial para el estudio de la materia blanda, los sistemas biológicos y los materiales cuánticos.
  • Mejoras en HFIR: Las mejoras previstas incluyen la optimización de la sala de guía de neutrones fríos para mejorar las capacidades experimentales, la ampliación de la producción de isótopos (incluido el plutonio-238 para la exploración espacial) y la mejora del rendimiento de los instrumentos existentes.

Estos avances mejorarán significativamente las técnicas de difracción de neutrones, permitiendo un análisis más preciso y detallado de las estructuras de los materiales. Al ampliar las capacidades de investigación y aumentar la eficiencia de la producción de neutrones, estos desarrollos respaldarán una amplia gama de campos científicos, desde la ciencia de los materiales hasta la investigación energética y la física cuántica . [ 41 ]

La tecnología de difracción de neutrones está evolucionando rápidamente, centrándose en mejorar la intensidad del haz y la eficiencia de los instrumentos. Los instrumentos modernos están diseñados para producir haces más pequeños e intensos, lo que permite estudios de alta precisión de muestras más pequeñas, especialmente beneficiosos para la investigación de nuevos materiales. Se están desarrollando detectores avanzados, como alternativas basadas en boro al helio-3 , para paliar la escasez de materiales, mientras que la mejora en la manipulación del espín de los neutrones optimiza el estudio de las propiedades magnéticas y estructurales. Los avances computacionales, incluyendo simulaciones e instrumentos virtuales, están optimizando las fuentes de neutrones , simplificando el diseño experimental e integrando el aprendizaje automático para el análisis de datos. Los sistemas de multiplexación y adquisición basados ​​en eventos mejoran la recopilación de datos al capturar múltiples conjuntos de datos simultáneamente. Además, las fuentes de espalación de próxima generación, como la Fuente Europea de Espalación (ESS) y la Segunda Estación Objetivo (STS) de Oak Ridge, aumentan la eficiencia de la producción de neutrones. Por último, el auge de los experimentos controlados remotamente y la automatización mejora la accesibilidad y la precisión en la investigación de la difracción de neutrones. [ 42 ]

Los avances modernos en la difracción de neutrones están mejorando la precisión de los datos, ampliando las aplicaciones de la investigación estructural y refinando las metodologías experimentales. Un enfoque clave es la visualización mejorada de los átomos de hidrógeno en macromoléculas biológicas , crucial para el estudio de la actividad enzimática y los enlaces de hidrógeno . La expansión de los difractómetros especializados ha aumentado la accesibilidad en biología estructural, con técnicas como los métodos monocromáticos , cuasi-Laue y de tiempo de vuelo optimizadas para la eficiencia. Las innovaciones en la preparación de muestras, en particular la deuteración de proteínas, están minimizando el ruido de fondo y reduciendo la necesidad de cristales grandes. Además, las herramientas computacionales , incluido el modelado químico cuántico, están ayudando en la interpretación de interacciones moleculares complejas. Las fuentes de neutrones mejoradas, como las instalaciones de espalación, junto con detectores avanzados, están impulsando aún más la precisión de la medición y la resolución estructural. Estos desarrollos están consolidando la difracción de neutrones como una técnica crítica para explorar la arquitectura molecular de los sistemas biológicos. [ 43 ]

Véase también

Referencias

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Lecturas adicionales

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  • Lovesey, SW (1984). Teoría de la dispersión de neutrones en la materia condensada; Volumen 2: Materia condensada . Oxford: Clarendon Press. ISBN 0-19-852017-4.
  • Squires, GL (1996). Introducción a la teoría de la dispersión de neutrones térmicos (2.ª  ed.). Mineola, Nueva York: Dover Publications Inc. ISBN 0-486-69447-X.
  • Young, RA, ed. (1993). El método de Rietveld . Oxford: Oxford University Press & Unión Internacional de Cristalografía. ISBN 0-19-855577-6.
  • Centro de Investigación de Neutrones del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología
  • De la ley de Bragg a la difracción de neutrones
  • Iniciativa de Infraestructura Integrada para la Dispersión de Neutrones y la Espectroscopia de Muones (NMI3) : un consorcio europeo de 18 organizaciones asociadas de 12 países, que incluye todas las instalaciones principales en los campos de la dispersión de neutrones y la espectroscopia de muones.
  • Laboratorio Frank de Física de Neutrones. Archivado el 25 de septiembre de 2020 en la Wayback Machine del Instituto Conjunto de Investigación Nuclear (JINR).
  • Base de datos de instrumentos de haz de neutrones del OIEA