grandes instalaciones científicas - Instituto de Estructura de la Materia

VI CURSO DE INICIACIÓN A LA INVESTIGACIÓNEN ESTRUCTURA DE LA MATERIAEl uso de grandes instalaciones científicaspara el estudio de la física de la materia condensada blandaALEJANDRO SANZ PARRASGrupo de Dinámica y Estructura de Materia Condensada Blandahttp://www.iem.cfmac.csic.es/fmacro/softmatpol/Departamento de Física Macromolecular

• GRANDES INSTALACIONES CIENTÍFICAS: FUENTES DE NEUTRONESY DE LUZ SINCROTRÓN• MATERIA CONDENSADA BLANDA• APLICACIONES DE LA RADIACIÓN DE NEUTRONES Y DE LA LUZSINCROTRÓN A LA FÍSICA DE LA MATERIA CONDENSADA BLANDA

GRANDES INSTALACIONES CIENTÍFICAS• Instalaciones científicas excepcionales• Surgen para dar servicio a las necesidades de la comunidad científica yde 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

GRANDES INSTALACIONES CIENTÍFICASREALIZACIÓNDELEXPERIMENTOANÁLISIS DELOS DATOSPUBLICACIÓN ?

GRANDES INSTALACIONES CIENTÍFICASFUENTES DE NEUTRONES- Estado estructural del materialEl neutrón como prueba- Dinámica microscópica con informacióngeométrica y temporal- Estructuras magnéticas- longitudes de onda entre 0.1 y cientos de ÅCaracterísticas del neutrón- masa = 1.6 x 10 -27 Kg-carga neutra-espín 1/2- interacción con los núcleos atómicos

GRANDES INSTALACIONES CIENTÍFICASFuente de espalaciónFUENTES DE NEUTRONESprotones alta energíadiana de átomospesados (W, Hg)neutrones de alta energía (MeV)proceso de moderación,enfriamiento o ralentización(D 2O, CH 4, H 2…)conducción de los neutrones hacia las guías experimentales

GRANDES INSTALACIONES CIENTÍFICASReactor nuclearFUENTES DE NEUTRONESreacción en cadena de fisión de uranio enriquecido U 235Ba 141U 235 U 236 Kr 92neutronescalientes (MeV)

GRANDES INSTALACIONES CIENTÍFICASReactor nuclearFUENTES DE NEUTRONESInstituto Laue-Langevin (Grenoble, Francia)

GRANDES INSTALACIONES CIENTÍFICASFUENTES DE NEUTRONESFuente de espalaciónReactor nuclear ISIS (Oxford, Reino Unido) ORNL (Tennessee, Estados Unidos) LANSCE (Los Alamos, Estados Unidos) SINQ (Villigen, Suiza) Instituto Laue-Langevin (Grenoble, Francia) Laboratorio Leon Brillouin (Saclay, Francia) FRM-II (Munich, Alemania) Instituto Bragg, ANSTO (Australia) J-PARC (Ibaraki, Japan)Debrecen (Hungría) ?FUENTE DE ESPALACIÓN EUROPEA (ESS)Lund (Suecia) ?Bilbao (España) ?

GRANDES INSTALACIONES CIENTÍFICASLUZ SINCROTRÓNRadiaciónsincrotrón1901-198816 Premios Nobelrelacionados con los raxos xEUROPAAlemaniaDinamarcaEspañaFranciaItaliaReino UnidoSueciaSuizaASIACorea del SurChinaIndiaJapónSingapurTaiwánAustraliaAMÉRICAEstados UnidosCanadáBrasil

GRANDES INSTALACIONES CIENTÍFICASLUZ SINCROTRÓNSINCROTRÓN ALBA (Barcelona)(en fase de construcción)http://www.cells.es/

GRANDES INSTALACIONES CIENTÍFICASLUZ SINCROTRÓN‘Non Crystalline Diffraction for life and material sciences with modular microfocus option onALBAPresentada en Diciembre 2004 Aprobada en Mayo 2005SINCROTRÓN ALBA (Barcelona)(en fase de construcción)Primeros usuarios en 2010!!!http://www.cells.es/

GRANDES INSTALACIONES CIENTÍFICASILLESRFGrenoble, Francia

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 lasunidades estructurales. Son sistemas en continuo movimiento al azar Browniano(((((((((((((((((((((((((((((((( ((((((Auto-organizaciónentropíaentalpía

MATERIA CONDENSADA BLANDAPOLÍMEROSCRISTALESLÍQUIDOS

MATERIA CONDENSADA BLANDAPOLÍMEROSMEMBRANASCRISTALESLÍQUIDOS

MATERIA CONDENSADA BLANDAPOLÍMEROSMEMBRANASSISTEMASFORMADORESDE VIDRIOCRISTALESLÍQUIDOS

LA DISPERSIÓN DE NEUTRONES Y LA MATERIA CONDENSADA BLANDA• 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)Estado amorfoEstado cristalino• estructura cristalina (difracción de neutrones)• morfología cristalina (SANS)• conformación de la macromolécula (dispersión de neutrones a ángulo bajo)• vibraciones cristalinas (dispersión inelástica de neutrones)

LA DISPERSIÓN DE NEUTRONES Y LA MATERIA CONDENSADA BLANDAr rk i,E ir rk f , EθfdΩQ r2∂ σ∂Ω∂E∝S(Q,ΔE)E= hω =E i− E ftransferencia de energíaE = 0 → dispersión elástica(estructura)E ≠ 0 → dispersión inelástica(excitaciones, dinámica)Q( − )= transferencia de momento (distancia de correlación)k ik f4π Q = senλ( θ )Q=2πd

LA DISPERSIÓN DE NEUTRONES Y LA MATERIA CONDENSADA BLANDAAMORFOCRISTALDIFRACCIÓN 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, 015503A. Sanz, H.C. Wong, J. F. Douglas y J. T. Cabral. Journal of Physics Condensed Matter, (2008) Vol. 20, 104209-7

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)

LA DISPERSIÓN DE RAYOS X (SINCROTRÓN) Y LA MATERIA CONDENSADA BLANCristalización de polímeros en tiempo real: efectossobre la dinámica de la fase amorfa remanenteel uso de técnicas simultáneasSAXSWAXSEspectroscopiadieléctrica(correlaciones largo alcance)(fracción cristalina)(fenómenos de relajación)10 nm

LA DISPERSIÓN DE RAYOS X (SINCROTRÓN) Y LA MATERIA CONDENSADA BLANel uso simultáneo de técnicas de difracción y espectroscopia dieléctrica:cristalización desde el estado vítreo de PBIDS WAXS SAXST = 333 K

LA DISPERSIÓN DE RAYOS X (SINCROTRÓN) Y LA MATERIA CONDENSADA BLANAmorfo inicialRAPPrimer régimen decristalizaciónSegundo régimen decristalizaciónRelajación α restringida dinámicamenteA. Sanz, A. Nogales, N. Lotti y T. A. Ezquerra . Polymer. (2006) 47, 1281

Grupo de dinámica y estructura de lamateria condensada blanda• Tiberio EzquerraMari Cruz García• Jaime HernándezAmelia Linares• Aurora NogalesDaniel Rueda• Alejandro SanzDepartamento de Física Macromolecular. Instituto de Estructura de laMateria

Grupo de dinámica y estructura de lamateria condensada blanda

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