Шағын бұрышпен нейтрон шағылысуы: құрылымды зерттеу әдісі
Small-angle neutron scattering
Шағын бұрышпен нейтронды шағылыстыру (SANS) – 1-100 нм өлшемдегі заттар құрылымын зерттейтін әдіс. Ретсіз жүйелерді талдауға, магниттік қасиеттерін анықтауға көмектеседі.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Шағын бұрышты нейтронды шашырату (SANS) – шамамен 1–100 нм мезоскопиялық масштабта әртүрлі заттардың құрылымын зерттеу үшін кішкентай шашырату бұрыштарындағы серпімді нейтронды шашыратуды пайдаланатын тәжірибелік әдіс. Шағын бұрышты нейтронды шашырату көп жағынан шағын бұрышты рентгендік шашыратумен (SAXS) өте ұқсас; екі әдіс те бірлесіп шағын бұрышты шашырату (SAS) деп аталады. SAS әдісінің ең маңызды ерекшелігі – тәртіпсіз жүйелердің ішкі құрылымын талдау мүмкіндігі, ал көбінесе осы әдісті қолдану – үлкен масштабтағы тығыздық өзгерістерінің кездейсоқ орналасқан жүйелері туралы тікелей құрылымдық ақпарат алудың бірегей жолы. SANS-тің SAXS-қа қарағандағы артықшылықтары – оның жеңіл элементтерге сезімталдығы, изотоптық белгілеу мүмкіндігі және магниттік моменттермен күшті шашырау.
Small angle neutron scattering (SANS) is an experimental technique that uses elastic neutron scattering at small scattering angles to investigate the structure of various substances at a mesoscopic scale of about 1–100 nm. Small angle neutron scattering is in many respects very similar to small angle X ray scattering (SAXS); both techniques are jointly referred to as small angle scattering (SAS). The most important feature of the SAS method is its potential for analyzing the inner structure of disordered systems, and frequently the application of this method is a unique way to obtain direct structural information on systems with random arrangement of density inhomogeneities in such large scales. Advantages of SANS over SAXS are its sensitivity to light elements, the possibility of isotope labelling, and the strong scattering by magnetic moments.
Техника
SANS эксперименті кезінде нейтрон сәулесі сулы ерітінді, қатты зат, ұнтақ немесе кристалл бола алатын үлгіге бағытталады. Нейтрондар ядролармен ядролық өзара әрекеттесу арқылы немесе жұпталмаған электрондардың магниттік моментімен өзара әрекеттесу арқылы серпілісті шашыратылады. Рентген шашырауында фотондар электрондық бұлтпен өзара әрекеттеседі, сондықтан элемент неғұрлым ауыр болса, әсер де соғұрлым күшті болады. Нейтрон шашырауында нейтрондар ядролармен өзара әрекеттеседі және бұл өзара әрекеттесу изотопқа байланысты; кейбір жеңіл элементтер, мысалы, дейтерий, ауыр элементтер сияқты, мысалы, Pb, ұқсас шашырау қимасын көрсетеді. Дифракцияның нөлдік реттік теориясында сыну көрсеткіші тікелей шашырау ұзындығы тығыздығымен байланысты және нейтрон толқынының белгілі бір ядромен өзара әрекеттесу күшін сипаттайтын шама болып табылады. Төмендегі кестеде бірнеше химиялық элементтердің нейтрон шашырау ұзындығы (10−12 см) көрсетілген: H D C N O P S −0.3742 0.6671 0.6651 0.940 0.5804 0.517 0.2847. Шашырау ұзындықтарының салыстырмалы шкаласы бірдей екенін ескеріңіз. Тағы бір маңызды жайт – сутектің шашырауы дейтерийден өзгеше. Сонымен қатар, сутек – кері шашырау ұзындығына ие сирек элементтердің бірі, яғни сутектен шашыраған нейтрондар басқа элементтерден шашырағандарға қарағанда 180° фазалық айырмашылыққа ие. Бұл ерекшеліктер контраст өзгеру техникасы үшін маңызды (төменде қараңыз).
During a SANS experiment a beam of neutrons is directed at a sample, which can be an aqueous solution, a solid, a powder, or a crystal. The neutrons are elastically scattered by nuclear interaction with the nuclei or interaction with magnetic momentum of unpaired electrons. In X ray scattering, photons interact with the electronic cloud so the bigger the element, the bigger the effect is. In neutron scattering, neutrons interact with nuclei and the interaction depends on the isotope; some light elements like deuterium show similar scattering cross section as heavy elements like Pb. In zero order dynamical theory of diffraction the refractive index is directly related to the scattering length density and is a measure of the strength of the interaction of a neutron wave with a given nucleus. The following table shows the neutron scattering length for a few chemical elements (in 10−12 cm). H D C N O P S −0.3742 0.6671 0.6651 0.940 0.5804 0.517 0.2847
Note that the relative scale of the scattering lengths is the same. Another important point is that the scattering from hydrogen is distinct from that of deuterium. Also, hydrogen is one of the few elements that has a negative scattering length, which means that neutrons deflected from hydrogen are 180° out of phase relative to those deflected by the other elements. These features are important for the technique of contrast variation (see below).
Биологияда
SANS-тің биологиялық ғылымдар үшін ерекше пайдалы болатын маңызды ерекшелігі – сутегінің ерекше қасиеттері, әсіресе дейтериймен салыстырғанда. Биологиялық жүйелерде сутегі дейтериймен алмастырылуы мүмкін, бұл әдетте үлгіге минимал әсер етеді, бірақ шашырауға күрт әсер етеді. Контраст өзгеру (немесе контрастты сәйкестендіру) әдісі сутегі мен дейтерийдің арасындағы шашырау айырмасына негізделген. 1-суретте су мен әртүрлі биологиялық макромолекулалардың шашырау ұзындығы тығыздығы дейтерий концентрациясының функциясы ретінде көрсетілген. (Дереккөзден алынған. Бұл әдістің мысалдары үшін қараңыз. Ірі масштабты материяны (мысалы, жұмсақ материяны) және баяу динамиканы зерттеу үшін өте суық нейтрондар (VCN) қолданылуы тиіс. Дегенмен, нейтрон ағынының нашарлығы және осы диапазон үшін оптикалық компоненттердің жетіспеуіне байланысты көптеген ғалымдар қысқа толқынды нейтрондарды пайдаланады. Бұл кемшілікті жою жұмыстары жүргізілуде.
A crucial feature of SANS that makes it particularly useful for the biological sciences is the special behavior of hydrogen, especially compared to deuterium. In biological systems hydrogen can be exchanged with deuterium which usually has minimal effect on the sample but has dramatic effects on the scattering. The technique of contrast variation (or contrast matching) relies on the differential scatter of hydrogen vs. deuterium. Figure 1 shows the scattering length density for water and various biological macromolecules as a function of the deuterium concentration. (Adapted from. For some examples of this method see. For the study of large scales of matter (e. g. Soft matter) and slow dynamics, very cold neutrons (VCN) should be used. However, because of the weak neutron flux and lack of optical components in this range, most scientists use neutrons of shorter wavelengths. Efforts are being made to remedy this lack.
Құралдар
Әлемде зерттеу реакторлары немесе спалляциялық көздер сияқты нейтрондық қондырғыларда көптеген SANS құралдары қолжетімді.
There are numerous SANS instruments available worldwide at neutron facilities such as research reactors or spallation sources.
Оқулық
Фейгин, Лев А.: Кішкентай бұрышты рентген сәулесі және нейтронды шашырату арқылы құрылымдық талдау. Нью-Йорк: Plenum (1987). Хиггинс, Джулия С.; Бенуа, Анри: Полимерлер және нейтрон шашырауы. Оксфорд: Clarendon Press (1994?). Хамли, Иан: Кішкентай бұрыш шашырауы: теория, құралдар, деректер және қолданылуы. Чичестер: Wiley (2022).
Fejgin, Lev A.: Structure analysis by small angle X ray and neutron scattering. New York: Plenum (1987). Higgins, Julia S.; Benoît, Henri: Polymers and neutron scattering. Oxford: Clarendon Press (1994?). Hamley, Ian,: Small Angle Scattering: Theory, Instrumentation, Data, and Applications Chichester: Wiley (2022).