El uso de grandes instalaciones científicas para el estudio de la física de la ... · 2017. 12....
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VI CURSO DE INICIACIÓN A LA INVESTIGACIÓN EN ESTRUCTURA DE LA MATERIA
Departamento de Física Macromolecular
Grupo de Dinámica y Estructura de Materia Condensada Blanda
http://www.iem.cfmac.csic.es/fmacro/softmatpol/
El uso de grandes instalaciones científicas para el estudio de la física de la materia condensada blanda
ALEJANDRO SANZ PARRAS
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• GRANDES INSTALACIONES CIENTÍFICAS: FUENTES DE NEUTRONES
Y DE LUZ SINCROTRÓN
• MATERIA CONDENSADA BLANDA
• APLICACIONES DE LA RADIACIÓN DE NEUTRONES Y DE LA LUZ
SINCROTRÓN A LA FÍSICA DE LA MATERIA CONDENSADA BLANDA
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GRANDES INSTALACIONES CIENTÍFICAS
• Instalaciones científicas excepcionales
• Surgen para dar servicio a las necesidades de la comunidad científica y
de la sociedad en general
• Afrontan retos científicos que requieren un alto esfuerzo tecnológico
• Se estimula la colaboración internacional
• Se requiere una alta inversión: dinamizadores de la economía
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GRANDES INSTALACIONES CIENTÍFICAS
REALIZACIÓN DEL
EXPERIMENTO
ANÁLISIS DE LOS DATOS PUBLICACIÓN ?
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GRANDES INSTALACIONES CIENTÍFICAS
FUENTES DE NEUTRONES
El neutrón como prueba
-
Estado estructural del material
- Dinámica microscópica con información
geométrica y temporal
-
Estructuras magnéticas
Características del neutrón
-
longitudes de onda entre 0.1 y cientos de Å
- carga neutra
- espín 1/2
-
interacción con los núcleos atómicos
-
masa = 1.6 x 10-27
Kg
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GRANDES INSTALACIONES CIENTÍFICAS
FUENTES DE NEUTRONES
Fuente de espalación
protones alta energía
diana de átomos
pesados (W, Hg)
neutrones de alta energía (MeV)
proceso de moderación,
enfriamiento o ralentización
(D2
O, CH4
, H2
…)
conducción de los neutrones hacia las guías experimentales
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Reactor nuclear
GRANDES INSTALACIONES CIENTÍFICAS
FUENTES DE NEUTRONES
reacción en cadena de fisión de uranio enriquecido U235
U235 U236
Kr92
Ba141
neutrones
calientes (MeV)
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Reactor nuclear
GRANDES INSTALACIONES CIENTÍFICAS
FUENTES DE NEUTRONES
Instituto Laue-Langevin (Grenoble, Francia)
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GRANDES INSTALACIONES CIENTÍFICAS
FUENTES DE NEUTRONES
Reactor nuclearFuente de espalación
ISIS (Oxford, Reino Unido)
ORNL (Tennessee, Estados Unidos)
LANSCE (Los Alamos, Estados Unidos)
SINQ (Villigen, Suiza)
J-PARC (Ibaraki, Japan)
Instituto Laue-Langevin (Grenoble, Francia)
Laboratorio Leon Brillouin (Saclay, Francia)
FRM-II (Munich, Alemania)
Instituto Bragg, ANSTO (Australia)
FUENTE DE ESPALACIÓN EUROPEA (ESS)
Debrecen (Hungría) ?
Lund (Suecia) ?
Bilbao (España) ?
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LUZ SINCROTRÓN
GRANDES INSTALACIONES CIENTÍFICAS
electrones circulando a velocidades
relativistas en un anillo en ultra-vacío
anillo de almacenamiento
espectro de emisión desde el IR lejano hasta el límitecon los rayos γ
(10-5 →10-13
m)
radiación altamente polarizada
alta intensidad (experimentos en tiempo real)
haz pulsado temporalmente
escasa divergencia
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1901-1988
16 Premios Nobel
relacionados con los raxos x
EUROPA
Alemania
Dinamarca
España
Francia
Italia
Reino Unido
Suecia
SuizaASIA
Corea del Sur
China
India
Japón
Singapur
Taiwán
Australia
AMÉRICA
Estados Unidos
Canadá
Brasil
LUZ SINCROTRÓN
GRANDES INSTALACIONES CIENTÍFICAS
Radiación sincrotrón
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SINCROTRÓN ALBA (Barcelona)
(en fase de construcción)
LUZ SINCROTRÓN
GRANDES INSTALACIONES CIENTÍFICAS
http://www.cells.es/
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SINCROTRÓN ALBA (Barcelona)
(en fase de construcción)
LUZ SINCROTRÓN
GRANDES INSTALACIONES CIENTÍFICAS
http://www.cells.es/
‘Non Crystalline
Diffraction
for
life
and
material sciences
with
modular microfocus
option
on ALBA
Presentada en Diciembre 2004 Aprobada en Mayo 2005
Primeros usuarios en 2010!!!
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GRANDES INSTALACIONES CIENTÍFICAS
ILL
ESRF
Grenoble, Francia
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MATERIA CONDENSADA BLANDA
No son simples líquidos
No son simples sólidos cristalinos
• Importancia de las longitudes de escala intermedias (decenas de
nanómetros)
• Gran número de grados de libertad con interacciones muy débiles entre las
unidades estructurales. Son sistemas en continuo movimiento al azar Browniano
( (
((((
( (
( ( (
(
((
((
((((
((
((
((
((((((
((
((
(( Auto-organización
entropía entalpía
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MATERIA CONDENSADA BLANDA
POLÍMEROS
CRISTALES
LÍQUIDOS
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MATERIA CONDENSADA BLANDA
POLÍMEROS
CRISTALES
LÍQUIDOS
MEMBRANAS
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MATERIA CONDENSADA BLANDA
POLÍMEROS
CRISTALES
LÍQUIDOS
MEMBRANASSISTEMAS
FORMADORES
DE VIDRIO
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LA DISPERSIÓN DE NEUTRONES Y LA MATERIA CONDENSADA BLANDA
Estado cristalino
Estado amorfo
• dinámica de la cadena (Spin
echo, dispersión quasielástica)
• movimiento de grupos laterales (dispersión cuasielástica)
• conformación de la macromolécula (dipersión
de neutrones a ángulo bajo)
• superficies e interfases (reflectividad de neutrones)
• estructura cristalina (difracción de neutrones)
• morfología cristalina (SANS)
• conformación de la macromolécula (dispersión de neutrones a ángulo bajo)
• vibraciones cristalinas (dispersión inelástica de neutrones)
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LA DISPERSIÓN DE NEUTRONES Y LA MATERIA CONDENSADA BLANDA
θii Ekrr
,ff Ekrr
, Ωd
Qr
fi EEE −== ωh
( )fi kkQ −= transferencia de momento (distancia de correlación)
transferencia de energía
E = 0 → dispersión elástica
(estructura)
E ≠
0 → dispersión inelástica
(excitaciones, dinámica)
( )θλπ senQ 4
=d
Q π2=
),(2
EQSE
Δ∝∂Ω∂
∂ σ
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LA DISPERSIÓN DE NEUTRONES Y LA MATERIA CONDENSADA BLANDA
AMORFO CRISTAL
DIFRACCIÓN DE NEUTRONES
(estructura)
DISPERSIÓN CUASIELÁSTICA
(dinámica: tiempo de relajación,
geometría)
A. Sanz, M. Jimenez-Ruiz, A. Nogales, D. Martin y T.A. Ezquerra. Physical Review Letters, (2004) Vol. 93, 1, 015503
A. Sanz, H.C. Wong, J. F. Douglas y J. T. Cabral. Journal of Physics Condensed Matter, (2008) Vol. 20, 104209-7
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LA DISPERSIÓN DE RAYOS X (SINCROTRÓN) Y LA MATERIA CONDENSADA BLAN
Estudio de su dinámica
-
Dinámica lenta (espectroscopia de correlación rayos x, XPCS)
-
Dinámica rápida (dispersión inelástica de rayos x, IXS)
Estudio de la estructura: técnicas en el espacio recíproco
-
Estructura corto alcance (dispersión de rayos x a ángulo alto, WAXS)
-
Estructura largo alcance (dispersión de rayos x a ángulo bajo, SAXS)
Estudio de la estructura: técnicas en el espacio real
-
Microtomografía
de rayos x (imágenes 3D con resolución 0.3 –
30 μm)
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LA DISPERSIÓN DE RAYOS X (SINCROTRÓN) Y LA MATERIA CONDENSADA BLAN
Cristalización
de polímeros
en tiempo
real: efectos
sobre
la dinámica
de la fase
amorfa
remanente
el uso de técnicas simultáneas
SAXSWAXS
Espectroscopia
dieléctrica
(correlaciones largo alcance)(fracción cristalina)
(fenómenos de relajación)
10 nm
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DS WAXS SAXS
T = 333 K
el uso simultáneo de técnicas de difracción y espectroscopia dieléctrica:
cristalización desde el estado vítreo de PBI
LA DISPERSIÓN DE RAYOS X (SINCROTRÓN) Y LA MATERIA CONDENSADA BLAN
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Amorfo inicial
Primer régimen de cristalización
Segundo régimen decristalización
RAP
Relajación α
restringida dinámicamente
LA DISPERSIÓN DE RAYOS X (SINCROTRÓN) Y LA MATERIA CONDENSADA BLAN
A. Sanz, A. Nogales, N. Lotti y T. A. Ezquerra . Polymer. (2006) 47, 1281
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Mari Cruz García
Amelia Linares
Daniel Rueda
Grupo de dinámica y estructura de la
materia condensada blanda
•
Tiberio Ezquerra
•
Jaime Hernández
•
Aurora Nogales
•
Alejandro Sanz
Departamento de Física Macromolecular. Instituto de Estructura de la
Materia
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Grupo de dinámica y estructura de la
materia condensada blanda
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