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La difracción de neutrones o dispersión elástica de neutrones es la aplicación de la dispersión de neutrones a la determinación de 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 proporcione información de 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 potentes de la radiación sincrotrón son adecuados para profundidades poco profundas o muestras delgadas. , mientras que los neutrones que tienen una alta profundidad de penetración son adecuados para muestras a granel. [1]
La técnica requiere una fuente de neutrones. Los neutrones suelen producirse 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 de la configuración también pueden ser móviles. Para los neutrones de longitud de onda larga, no se pueden utilizar cristales, sino que se utilizan rejillas como componentes ópticos difractivos. [2] En una fuente de espalación, la técnica del tiempo de vuelo se utiliza 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 más bien una serie de elementos de apertura sincronizados para filtrar los pulsos de neutrones con la longitud de onda deseada.
La técnica se realiza más comúnmente como difracción de polvo , que solo requiere un polvo policristalino. También es posible el trabajo con monocristales, pero los cristales deben ser mucho más grandes que los que se utilizan en la cristalografía de rayos X de monocristales . Es común utilizar cristales de aproximadamente 1 mm 3 . [3]
La técnica también requiere un dispositivo que pueda detectar los neutrones después de que hayan sido dispersados.
En resumen, la principal desventaja de la difracción de neutrones es la necesidad de un reactor nuclear. Para el trabajo con un solo cristal, la técnica requiere cristales relativamente grandes, cuyo crecimiento suele ser difícil. Las ventajas de esta técnica son muchas: sensibilidad a los átomos ligeros, capacidad para distinguir isótopos, ausencia de daños por radiación [3] y una profundidad de penetración de varios cm [1].
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 olas 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 según su velocidad, su longitud de onda se sitúa cerca de un angstrom (0,1 nanómetro ), la separación típica entre átomos en un material sólido. Luego, dicho haz se puede utilizar para realizar un experimento de difracción. Al incidir sobre una muestra cristalina, se dispersará bajo 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 de electrones 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 el aporte a la intensidad difractada depende de cada isótopo ; por ejemplo, el hidrógeno normal y el deuterio contribuyen de forma diferente. También suele ocurrir que los átomos ligeros (bajo Z) contribuyan fuertemente a la intensidad difractada, incluso en presencia de átomos Z grandes. 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 neutrones, por lo que a menudo se utiliza como material contenedor. La difracción de neutrones no magnética es directamente sensible a las posiciones de los núcleos de los átomos.
Los núcleos de los átomos, de donde se dispersan los neutrones, son diminutos. Además, no es necesario un factor de forma atómica para describir la forma de la nube de electrones 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 recopilación de datos a temperaturas de hasta 4,2 K. La magnífica información de alto ángulo (es decir, 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 de diferencias) derivados de datos de neutrones sufren de errores de terminación de serie, a veces tantos que los resultados no tienen sentido.
Aunque los neutrones no están cargados, llevan un momento magnético y, por tanto, interactúan con momentos magnéticos, incluidos los que surgen de la nube de electrones alrededor de un átomo. Por tanto, la difracción de neutrones puede revelar la estructura magnética microscópica de un material. [4]
La dispersión magnética requiere un factor de forma atómica , ya que es causada por una nube de electrones mucho más grande alrededor del pequeño núcleo. Por tanto, la intensidad de la contribución magnética a los picos de difracción disminuirá hacia ángulos más altos.
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 apuntan a la estructura de los sólidos cristalinos, lo que hace que la difracción de neutrones sea una herramienta importante de la cristalografía .
La difracción de neutrones está estrechamente relacionada con la difracción de rayos X en polvo . [5] De hecho, la versión monocristalina de la técnica se utiliza con menos frecuencia porque las fuentes de neutrones actualmente disponibles requieren muestras relativamente grandes y los monocristales grandes son difíciles o imposibles de conseguir para la mayoría de los materiales. Sin embargo, los acontecimientos futuros podrían cambiar este panorama. Debido a 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 amplió para su uso en la difracción de rayos X.
Una aplicación práctica de la dispersión/difracción de neutrones elásticos es que la constante de red de metales y otros materiales cristalinos se puede medir con mucha precisión. Junto con un microposicionador alineado con precisión, se puede derivar un mapa de la constante de red a través del metal. Esto se puede convertir fácilmente al campo de tensión que experimenta el material. [1] Esto se ha utilizado para analizar tensiones en componentes aeroespaciales y de automoción , para dar sólo dos ejemplos. La alta profundidad de penetración permite medir tensiones residuales en componentes a granel 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 se puede emplear para dar una idea de la estructura 3D de cualquier material que difracte. [6] [7]
Otro uso es para la determinación del número de solvatación de pares iónicos en soluciones de electrolitos.
El efecto de dispersión magnética se ha utilizado desde el establecimiento de la técnica de difracción de neutrones para cuantificar los 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 óxidos de manganeso, hierro, níquel y cobalto. Estos experimentos, realizados por primera vez por Clifford Shull, fueron los primeros en mostrar la existencia de una disposición antiferromagnética de dipolos magnéticos en una estructura material. [8] Actualmente, la difracción de neutrones continúa utilizándose para caracterizar materiales magnéticos recientemente desarrollados.
La difracción de neutrones se puede utilizar para establecer la estructura de materiales de bajo número atómico, como proteínas y tensioactivos, mucho más fácilmente con un flujo menor que en una fuente de radiación sincrotrón. Esto se debe a que algunos materiales de bajo número atómico tienen una sección transversal más alta para la interacción de neutrones que los materiales de mayor peso atómico.
Una ventaja importante 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 1 H y 2 H (es decir, deuterio , D) son fuertes dispersores de neutrones. El mayor poder de dispersión de los protones y deuterones significa 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, Mg 2 FeH 6 , se han evaluado mediante difracción de neutrones. [9]
Las longitudes de dispersión de neutrones b H = −3.7406(11) fm [10] y b D = 6.671(4) fm, [10] para H y D respectivamente, tienen signos opuestos, lo que permite a la técnica distinguirlas. De hecho, existe una proporción de isótopos particular para la cual la contribución del elemento se cancelaría, esto se llama dispersión nula.
No es deseable trabajar con una concentración relativamente alta de H en una muestra. La intensidad de dispersión de los núcleos H tiene un gran componente inelástico, lo que crea un gran fondo continuo que es más o menos independiente del ángulo de dispersión. El patrón elástico normalmente consiste en reflejos agudos de Bragg si la muestra es cristalina. Tienden a ahogarse en 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 de isótopos, es posible variar el contraste de dispersión lo suficiente como para resaltar un elemento en una estructura que de otro modo sería complicada. La variación de otros elementos es posible pero normalmente resulta bastante costosa. El hidrógeno es económico y particularmente interesante porque desempeña un papel excepcionalmente importante en las estructuras bioquímicas y es difícil de estudiar estructuralmente de otras maneras.
Los primeros experimentos de difracción de neutrones los llevó a cabo en 1945 Ernest O. Wollan utilizando el reactor de grafito de Oak Ridge . Poco después (junio de 1946) [11] se le unió Clifford Shull , y juntos establecieron los principios básicos de la técnica y la aplicaron con éxito a muchos materiales diferentes, abordando problemas como la estructura del hielo y las disposiciones microscópicas de los momentos magnéticos. en materiales. Por este logro, Shull recibió la mitad del Premio Nobel de Física de 1994 . (Wollan murió en 1984). (La otra mitad del Premio Nobel de Física de 1994 fue para Bert Brockhouse por el desarrollo de la técnica de dispersión inelástica en las instalaciones de Chalk River de AECL . Esto también implicó la invención del espectrómetro de triple eje). El retraso entre el trabajo realizado (1946) y el Premio Nobel otorgado a Brockhouse y Shull (1994) los acerca al retraso entre la invención por Ernst Ruska del microscopio electrónico (1933) -también en el campo de la óptica de partículas- y su propio premio Nobel (1986). Esto, a su vez, se acerca al récord de 55 años entre los descubrimientos de Peyton Rous y su concesión del Premio Nobel en 1966.