Введение

Нейтронное рассеяние с малым углом (SANS) — экспериментальная техника, использующая упругое рассеяние нейтронов при малых углах рассеяния для исследования структуры различных веществ в мезоскопическом масштабе, примерно от 1 до 100 нм. Нейтронное рассеяние с малым углом во многом аналогично рентгеновскому рассеянию с малым углом (SAXS); обе техники совместно называют рассеянием с малым углом (SAS). Наиболее важной особенностью метода SAS является его способность анализировать внутреннюю структуру неупорядоченных систем, и часто применение этого метода предоставляет уникальную возможность получить прямую структурную информацию о системах со случайным распределением неоднородностей плотности в таких больших масштабах. Преимущества SANS перед SAXS заключаются в его чувствительности к легким элементам, возможности изотопной маркировки и сильном рассеянии магнитными моментами.

Техника

Во время эксперимента SANS пучок нейтронов направляется на образец, который может быть водным раствором, твердым телом, порошком или кристаллом. Нейтроны эластично рассеиваются в результате ядерного взаимодействия с ядрами или взаимодействия с магнитным моментом неспаренных электронов. При рентгеновском рассеянии фотоны взаимодействуют с электронным облаком, поэтому чем больше атомный номер элемента, тем сильнее эффект. При нейтронном рассеянии нейтроны взаимодействуют с ядрами, и взаимодействие зависит от изотопа; некоторые легкие элементы, такие как дейтерий, демонстрируют аналогичное сечение рассеяния, как и тяжелые элементы, такие как свинец (Pb). В рамках нулевого порядка динамической теории дифракции показатель преломления напрямую связан с плотностью длины рассеяния и является мерой силы взаимодействия нейтронной волны с данным ядром. В следующей таблице представлена длина рассеяния нейтронов для нескольких химических элементов (в 10−12 см): H D C N O P S −0.3742 0.6671 0.6651 0.940 0.5804 0.517 0.2847. Следует отметить, что относительный масштаб длин рассеяния остается одинаковым. Важно также, что рассеяние от водорода отличается от рассеяния дейтерия. Кроме того, водород – один из немногих элементов, обладающих отрицательной длиной рассеяния, что означает, что нейтроны, рассеянные водородом, сдвинуты по фазе на 180° относительно нейтронов, рассеянных другими элементами. Эти особенности имеют значение для метода вариации контраста (см. ниже).

В биологии

Важной особенностью SANS, которая делает его особенно полезным для биологических наук, является особое поведение водорода, особенно по сравнению с дейтерием. В биологических системах водород может обмениваться с дейтерием, что обычно оказывает минимальное влияние на образец, но оказывает существенное влияние на рассеяние. Метод вариации контраста (или подбора контраста) основан на различии в рассеянии водорода и дейтерия. На рисунке 1 показана плотность рассеяния для воды и различных биологических макромолекул в зависимости от концентрации дейтерия. (Адаптировано из. Для некоторых примеров этого метода см. Для изучения крупномасштабной структуры материи (например, мягких материалов) и медленной динамики следует использовать сверххолодные нейтроны (VCN). Однако из-за слабого нейтронного потока и недостатка оптических элементов в этом диапазоне большинство ученых используют нейтроны с меньшей длиной волны. Предпринимаются усилия для решения этой проблемы.

Инструменты

Существует множество приборов SANS, доступных по всему миру на нейтронных установках, таких как исследовательские реакторы или источники спалляции.

Учебники

Фейгин, Лев А.: Анализ структуры методом малоугольного рентгеновского и нейтронного рассеяния. Нью-Йорк: Plenum (1987). Хиггинс, Джулия С.; Бенуа, Анри: Полимеры и нейтронное рассеяние. Оксфорд: Clarendon Press (1994?). Хэмли, Иан: Рассеяние под малыми углами: теория, приборы, данные и области применения. Чичестер: Wiley (2022).