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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 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 el análisis superficial, los rayos X fuertes de la radiación de sincrotrón son adecuados para profundidades poco profundas o muestras delgadas, mientras que los neutrones que tienen una gran profundidad de penetración son adecuados para muestras a granel. [1]
La técnica requiere una fuente de neutrones. Los neutrones se producen normalmente en un reactor nuclear o 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 deseada de los neutrones. Algunas partes de la configuración también pueden ser móviles. Para los neutrones de longitud de onda larga, no se pueden utilizar cristales y, en su lugar, se utilizan rejillas como componentes ópticos difractivos. [2] En una fuente de espalación, se utiliza la técnica del 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 los pulsos de neutrones con la longitud de onda deseada.
La técnica más común es la difracción de polvos , que solo requiere un polvo policristalino. También es posible trabajar con cristales individuales, pero los cristales deben ser mucho más grandes que los que se utilizan en la cristalografía de rayos X de cristales individuales . Es común utilizar cristales de aproximadamente 1 mm 3 . [3]
La técnica también requiere un dispositivo que pueda 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 trabajar con cristales individuales, la técnica requiere cristales relativamente grandes, que suelen ser difíciles de cultivar. Las ventajas de la técnica son muchas: sensibilidad a los átomos ligeros, capacidad para distinguir isótopos, ausencia de daño por radiación [3] , así como una profundidad de penetración de varios centímetros [1].
Como todas las partículas cuánticas , los neutrones pueden presentar 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 nanómetros ), la separación típica entre átomos en un material sólido. Dicho haz puede entonces usarse para realizar un experimento de difracción. Al incidir sobre una muestra cristalina, se dispersará bajo un número limitado de ángulos bien definidos, de acuerdo con la misma ley de Bragg que describe la difracción de rayos X.
Los neutrones y los rayos X interactúan con la materia de forma diferente. Los rayos X interactúan principalmente con la nube de electrones que rodea a cada átomo. Por tanto, la contribución a la intensidad de los rayos X difractados es mayor para los átomos con un número atómico (Z) mayor . 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 regular y el deuterio contribuyen de forma diferente. También suele ocurrir que los átomos ligeros (Z bajo) 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 hacerlo linealmente 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 magnéticos es directamente sensible a las posiciones de los núcleos de los átomos.
Los núcleos de los átomos, desde los que 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 altos, especialmente si el experimento se realiza a bajas temperaturas. Muchas fuentes de neutrones están equipadas con sistemas de refrigeración de helio líquido que permiten la recopilación de datos a temperaturas de hasta 4,2 K. La excelente 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 diferencia) derivados de datos de neutrones sufren errores de terminación de serie, a veces tanto que los resultados no tienen sentido.
Aunque los neutrones no tienen carga, tienen un momento magnético y, por lo tanto, interactúan con otros momentos magnéticos, incluidos los que surgen de la nube de electrones que rodea a un átomo. Por lo tanto, la difracción de neutrones puede revelar la estructura magnética microscópica de un material. [4]
La dispersión magnética requiere un factor de forma atómico , ya que es causada por la nube de electrones mucho más grande que rodea al diminuto núcleo. Por lo tanto, la intensidad de la contribución magnética a los picos de difracción disminuirá a medida que los ángulos sean mayores.
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 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 polvos de rayos X. [5] De hecho, la versión de monocristal 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 desarrollos futuros pueden cambiar esta imagen. Debido a que los datos son típicamente un difractograma de polvo 1D, generalmente se procesan utilizando el refinamiento de Rietveld . De hecho, este último encontró su origen en la difracción de neutrones (en Petten en los Países Bajos) y luego se extendió para su uso en difracción de rayos X.
Una aplicación práctica de la dispersión/difracción elástica de neutrones es que la constante de red de los 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 en el campo de tensión experimentado por el material. [1] Esto se ha utilizado para analizar tensiones en componentes aeroespaciales y automotrices , por dar solo 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 dedicados, como el instrumento ENGIN-X en la fuente de neutrones ISIS .
La difracción de neutrones también se puede emplear para obtener información sobre la estructura 3D de cualquier material que difracte. [6] [7]
Otro uso es para la determinación del número de solvatación de pares de iones 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 los materiales y estudiar la orientación y la 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 demostrar la existencia de la disposición antiferromagnética de los dipolos magnéticos en la estructura de un material. [8] Ahora, la difracción de neutrones continúa utilizándose para caracterizar los materiales magnéticos desarrollados recientemente.
La difracción de neutrones se puede utilizar para determinar la estructura de materiales de bajo número atómico, como proteínas y surfactantes, con mucha más facilidad y con un flujo menor que en una fuente de radiación de 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 se pueden determinar 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 que la técnica las distinga. De hecho, existe una proporción isotópica particular para la cual la contribución del elemento se cancelaría; esto se denomina dispersión nula.
No es aconsejable trabajar con concentraciones relativamente altas de H en una muestra. La intensidad de dispersión de los núcleos de 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 suele estar formado por reflexiones de Bragg agudas si la muestra es cristalina. Estas 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 bastante cara. El hidrógeno es barato y especialmente interesante, porque desempeña un papel excepcionalmente importante en las estructuras bioquímicas y es difícil de estudiar estructuralmente de otras formas.
El neutrón fue descubierto a principios de la década de 1930, y la difracción fue observada por primera vez en 1936 [11] por dos grupos, von Halban y Preiswerk [12] y por Mitchell y Powers. [13] En 1944, Ernest O. Wollan , con experiencia en dispersión de rayos X gracias a su trabajo de doctorado [14] con Arthur Compton , reconoció el potencial para aplicar los neutrones térmicos del recién operativo reactor nuclear X-10 a la cristalografía . Junto con Clifford G. Shull, desarrollaron [15] la difracción de neutrones a lo largo de la década de 1940. Los primeros experimentos de difracción de neutrones fueron llevados a cabo en 1945 por Ernest O. Wollan utilizando el reactor de grafito en Oak Ridge . Poco después (junio de 1946) [16] 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 los 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 logrado (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.