Поляризационный анализ в нейтронографии ...
DESCRIPTION
Поляризационный анализ в нейтронографии феррожидкостей. М.В.Авдеев. Лаборатория нейтронной физики им. И.М.Франка Объединенный институт ядерных исследований, Дубна, Россия. Феррожидкости (магнитные жидкости). Магнитные полидисперсные наночастицы, - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
![Page 1: Поляризационный анализ в нейтронографии феррожидкостей](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062321/56813f63550346895daa33af/html5/thumbnails/1.jpg)
Поляризационный анализ в нейтронографии феррожидкостей
М.В.Авдеев
Лаборатория нейтронной физики им. И.М.ФранкаОбъединенный институт ядерных исследований, Дубна, Россия
![Page 2: Поляризационный анализ в нейтронографии феррожидкостей](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062321/56813f63550346895daa33af/html5/thumbnails/2.jpg)
Феррожидкости (магнитные жидкости)Феррожидкости (магнитные жидкости)
Магнитные полидисперсные наночастицы, размер d = 2-30 нм (однодоменное состояние магнитный момент на частицу ~103-105B суперпарамагнитное поведение)
жидкий носитель
оболочка ПАВ,толщина = 1-2 нм
R.E.Rosenzweig, 1966
Совмещение текучести и магнитных свойств
Широкое использование в технических устройствах
![Page 3: Поляризационный анализ в нейтронографии феррожидкостей](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062321/56813f63550346895daa33af/html5/thumbnails/3.jpg)
Намагничивание Ланжевена
,1
cthMM
smkTmH0 )4/( 3dkTB ~ 10 – 1000 kHz
Суперпарамагнитные наночастицыСуперпарамагнитные наночастицы
Постоянное магнитное поле Переменное магнитное поле
![Page 4: Поляризационный анализ в нейтронографии феррожидкостей](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062321/56813f63550346895daa33af/html5/thumbnails/4.jpg)
Феррожидкости: технические приложенияФеррожидкости: технические приложения
Акселерометры
Индуктивные аэродинамические сенсоры
Вакуумные подшипники Громкоговорители
Сенсоры
![Page 5: Поляризационный анализ в нейтронографии феррожидкостей](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062321/56813f63550346895daa33af/html5/thumbnails/5.jpg)
Феррожидкости: медицинские приложенияФеррожидкости: медицинские приложения
Доставка лекарств
Диагностика
Терапия
Основное направление – лечение ракаОсновное направление – лечение рака
![Page 6: Поляризационный анализ в нейтронографии феррожидкостей](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062321/56813f63550346895daa33af/html5/thumbnails/6.jpg)
Поляризационный анализ на феррожидкостяхПоляризационный анализ на феррожидкостях
Анализ поляризации при рассеянии
Анализ деполяризации прошедшего пучка
Hayter J, Pynn R Phys. Rev. Lett. 49 1103 (1982)
Pynn R, Hayter J, Charles S W Phy. Rev. Lett. 51 710 (1983)
Lebedev V T et al. Physica B 234-236 525 (1997)
Lebedev V T et al. Magnetohydrodynamics 38 271 (2002)
Török Gy, Lebedev V T, Orlova D N Magnetohydrodynamics 38 (3) 277 (2002)
Gazeau F, Boue F, Dubois E, Perzynski R J. Phys.: Condens. Matter 15 S1305 (2003)
Itoh S, Endoh Y, Pynn R JMMM 73 L1 (1988)
Rekveld M Th In (Eds. Dormann J L, Fiorani D.), Studies of Magnetic Properties of Fine Particles. Elsevier Science Publishers, 1992
Grigoriev S V, Eberbeck D, Runov V V Physica B 297 253 (2001)
Zabenkin V N et al. Appl. Phys. A 74 S710 (2002)
Balasoiu M, Aksenov V L J. Optoelectronics Adv. Mater. 10 3322 (2008)
![Page 7: Поляризационный анализ в нейтронографии феррожидкостей](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062321/56813f63550346895daa33af/html5/thumbnails/7.jpg)
Atomic structure Magnetic structure
Нанодиагностика феррожидкостейНанодиагностика феррожидкостей
![Page 8: Поляризационный анализ в нейтронографии феррожидкостей](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062321/56813f63550346895daa33af/html5/thumbnails/8.jpg)
All levels contribute to scattering!All levels contribute to scattering!
Главные проблемыГлавные проблемы
Systems are strongly polydisperse!Systems are strongly polydisperse!
Задача: получить как можно больше экспериментальных зависимостей с сохранением структурных параметров системы
![Page 9: Поляризационный анализ в нейтронографии феррожидкостей](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062321/56813f63550346895daa33af/html5/thumbnails/9.jpg)
ММaaлоугловое рассеяние нейтронов на феррожидкостяхлоугловое рассеяние нейтронов на феррожидкостях
Н-solvent
D-solvent
surfactants
magnetite
Н-solvents0.0
7.0
1.0
2.0
D-solvents
magnetic SLD
,1010 cm-2
0.1 11E-3
0.01
0.1
1
10
100
I(q)
, cm
-1
q, nm-1
0 2 4 6 8 100.00
0.02
0.04
DN(R
)
R, nm
1% MF magnetite/oleic acid/benzene
max
min
2 2( ) ( ) ( , )R
n
R
F q D R F q R dR
2 20
1( ) exp[ ln ( / ) /(2 )]
2nD R R R S
SR
M.V.Avdeev, V.L.Aksenov, Physics Uspekhi. 53 (2010) 971
Магнитным рассеянием можно пренебречь(?)
![Page 10: Поляризационный анализ в нейтронографии феррожидкостей](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062321/56813f63550346895daa33af/html5/thumbnails/10.jpg)
0.1 10.01
0.1
1
10 100% C
6D
6
90% C6D
6
75% C6D
6
60% C6D
6
50% C6D
6
40% C6D
6
38% C6D
6
35% C6D
6
32% C6D
6
30% C6D
6
20% C6D
6
10% C6D
6
Inte
nsity
, cm
-1
q, nm-1
0.1 1
0.01
0.1
1
10
Inte
nsity
, cm
-1
q, nm-1
10% C6D
6
20% C6D
6
30% C6D
6
50% C6D
6
55% C6D
6
60% C6D
6
70% C6D
6
75% C6D
6
90% C6D
6
100% C6D
6Oleic Acid stabilzation
Myristic Acid stabilization
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.20
5
10
15
20
25
30
35
0
2
4
6
8
10 ОК
[C6D
6]/[C
6D
6+C
6H
6]
I(0
) д
ля
ОК
, см
-1
МК
I(0
) д
ля
МК
, см
-1
63 %34.2 %
)0(I OA MA
I(0)
for
OA
, cm
-1
I(0)
for
MA
, cm
-1
-18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
()10-10, см2
R2 g,н
м2
ОК МК
<R2
cV2
c>/<V2
c>
2gR
OA MA
Rg2
, nm
2
()-110-10,cm2
Вариация контрастаВариация контраста
1% MF magnetite/benzene
FLNP JINR – GKSS – CFATR
M.V.Avdeev, V.L.Aksenov, Physics Uspekhi. 53 (2010) 971
H/D substitution
![Page 11: Поляризационный анализ в нейтронографии феррожидкостей](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062321/56813f63550346895daa33af/html5/thumbnails/11.jpg)
0.1 1100
101
102
103
104
105
SA,PA,MA,LA
I, a
.u.
q, nm-1
OA
0.1 1100
101
102
103
104
105
SA,PA,MA,LA
I, a
.u.
q, nm-1
OA
0.1 11E-4
1E-3
0.01
0.1
1
10
100
SA, PA, MA, LA
q, nm-1
I(q
), c
m-1
OA
0 1 2 3 4 5 6 7 8
DN(R
)
R, nm
OA
SA, PA, MA, LA
0.1 11E-5
1E-4
1E-3
0.01
0.1
1
10 (b)
I(q
), c
m-1
q, nm-1
OA SA PA MA LA
XRD (KCSR)
SAXS (KCSR)
Coatings: oleic acid (OA ), C18 -unsaturated lauric acid (LA), C12 myristic acid (MA), C14 palmitic acid (PA), C16 stearic acid (SA), C18
SANS (GKSS, BNC)
Magnetite: co-precipitation reaction
Комплексная структурная характеризация ФЖКомплексная структурная характеризация ФЖ
Аксенов В. Л., Авдеев М. В. и др. Кристаллография 56 848 (2011)
![Page 12: Поляризационный анализ в нейтронографии феррожидкостей](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062321/56813f63550346895daa33af/html5/thumbnails/12.jpg)
0.1 1100
101
102
103
104
105
SA,PA,MA,LA
I, a
.u.
q, nm-1
OA
0.1 1100
101
102
103
104
105
SA,PA,MA,LA
I, a
.u.
q, nm-1
OA
0.1 11E-4
1E-3
0.01
0.1
1
10
100
SA, PA, MA, LA
q, nm-1
I(q
), c
m-1
OA
0 1 2 3 4 5 6 7 8
DN(R
)
R, nm
OA
SA, PA, MA, LA
0.1 11E-5
1E-4
1E-3
0.01
0.1
1
10 (b)
I(q
), c
m-1
q, nm-1
OA SA PA MA LA
XRD (KCSR)
SAXS (KCSR)
Coatings: oleic acid (OA ), C18 -unsaturated lauric acid (LA), C12 myristic acid (MA), C14 palmitic acid (PA), C16 stearic acid (SA), C18
SANS (GKSS, BNC)
Magnetite: co-precipitation reaction
Комплексная структурная характеризация ФЖКомплексная структурная характеризация ФЖ
Аксенов В. Л., Авдеев М. В. и др. Кристаллография 56 848 (2011)
![Page 13: Поляризационный анализ в нейтронографии феррожидкостей](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062321/56813f63550346895daa33af/html5/thumbnails/13.jpg)
МУРН в намагниченных органических МЖ: МУРН в намагниченных органических МЖ: использование поляризованных нейтронов (использование поляризованных нейтронов (SANSPOL)SANSPOL)
Ядерный форм-фактор
222 sin)}()(2)({)()( qFqFqFqFqd
dMNMN
222 sin)}()(2)({)()( qFqFqFqFq
d
dMNMN
Спин против поля Спин по полю
OК
MК
I+,I-, H=0 I+, H=H I-, H=H
Магнитный форм-фактор
Магнетит (m ~ 1 %), покрытый OК или MК кислотой в D-циклогексане
GKSS
Itoh S et al JMMM 103 126 (1992)
Wiedenmann A J Appl Cryst 33 428 (2000)
![Page 14: Поляризационный анализ в нейтронографии феррожидкостей](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062321/56813f63550346895daa33af/html5/thumbnails/14.jpg)
МУРН в намагниченных МЖ: МУРН в намагниченных МЖ: разделение ядерного и магнитного рассеянияразделение ядерного и магнитного рассеяния
0.1 1
0.1
1
10
Rg=5.3 nm
I(q
), c
m-1
q, nm-1
F2
N
F2
M
Rg=8.0 nm
0.1 11E-3
0.01
0.1
1
10
F2
N
F2
M
Rg=3.7 nm
Rg=4 nm
I(q)
, cm
-1
q, nm-1
ОК МК
M.V.Avdeev, M.Balasoiu, V.L.Aksenov, et al., J. Magn. Magn. Mater. (2004)М.В.Авдеев, УФН (2007)
Наличие сложных магнитных корреляций в разбавленных (m < 2 %) органических неполярных МЖ при слабой корреляции в положении частиц!
прямаяподгонка
прямаяподгонка
приближения Гинье
приближения Гинье
GKSS
![Page 15: Поляризационный анализ в нейтронографии феррожидкостей](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062321/56813f63550346895daa33af/html5/thumbnails/15.jpg)
Анализ ядерного рассеянияАнализ ядерного рассеяния
1
s
RR1
Модель «ядро-оболочка»
max
min
),()()(~ 22
R
R
NNN dRRqFRDqF
),(2 RqFN
0.1 1
0.1
1
10
I(q)
, cm
-1
q, nm-1
OAMA
0 1 2 3 4 5 6 7 8
MA
OA
DN(R
)
R, nm
OA - R0 = 3.4 нм; S = 0.38; = 1.38 нм (<R> = 3.7 нм; = 1.4 нм)MA - R0 = 2.3 нм; S = 0.28; = 1.35 нм (<R> = 2.4 нм; = 0.7 нм)
Слой ПАВ
M.V.Avdeev, D.Bica, L.Vékás, O.Marinica, M.Balasoiu, V.L.Aksenov, L.Rosta, V.M.Garamus, A.Schreyer, J. Mag. Mag. Mater. 311 (2007) 6-9
Информация о ядерном размере!
![Page 16: Поляризационный анализ в нейтронографии феррожидкостей](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062321/56813f63550346895daa33af/html5/thumbnails/16.jpg)
0.1 1
I(q)
, cm
-1
q, nm-1
OA OA/MA 1/1 MA
d-benzene + Fe3O4 + MA/OA , m = 1.1 %
Nuclear scattering contribution. Solid lines are fits of the core-shell model.
Resulting log-normal size-distribution functions.
0 1 2 3 4 5 6 7 8
OA (R0=3.4 nm; S=0.39)
OA/MA 1/1 (R
0=3.0 nm; S=0.28)
DN(R
)
R, nm
MA (R0=2.5 nm; S=0.24)
Модуляция размера при смешанной стабилизацииМодуляция размера при смешанной стабилизации
![Page 17: Поляризационный анализ в нейтронографии феррожидкостей](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062321/56813f63550346895daa33af/html5/thumbnails/17.jpg)
Немагнитный поверхностный слой Немагнитный поверхностный слой в магнитных наночастицахв магнитных наночастицах
R. H. Kodama, et. al., Phys. Rev. Lett. 77 (1996) 394
Расчетные отклонения магнитных моментов от общей ориентации в ферритных наночастицах NiFe2O4 на поверхности.
Удельная намагниченность наночастиц меньше, чем у объемного материала. Эффект принято объяснять образованием немагнитного поверхностного слоя.
Однако прямое экспериментальное доказательство такого слоя отсутствует!
Усиление эффекта связывают с наличием шероховатостей на поверхности наночастиц, что, однако, для многих магнитных частиц противоречит данным электронной микроскопии и малоуглового рассеяния нейтронов.
Альтернативное объяснение – уменьшение удельной намагниченности по всему объему наночастицы.
![Page 18: Поляризационный анализ в нейтронографии феррожидкостей](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062321/56813f63550346895daa33af/html5/thumbnails/18.jpg)
Анализ магнитного рассеянияАнализ магнитного рассеяния
0,1 1
0,01
0,1
1
10
FN
2
FM
2
I(q)
, cm
-1
q, nm-1
Модель «невзаимодействующие сферы»
m
Rm
В отсутствие заметных корреляций в положении частиц наблюдается сильная корреляция магнитных моментов! Данный эффект не дает
возможности определить напрямую магнитный размер частиц.Для жидкостей с меньшим размером частиц эта корреляция меньше!
V.Aksenov, M.Avdeev, et al. J. Appl. Phys. 74 (2002) S93-S94
M.V.Avdeev, M.Balasoiu, V.L.Aksenov, et. al., J. Mag. Mag. Mater. 270 (2004) 371-379
d-бензол + Fe3O4 + OA, m > 1 %
![Page 19: Поляризационный анализ в нейтронографии феррожидкостей](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062321/56813f63550346895daa33af/html5/thumbnails/19.jpg)
Обратное Фурье-преобразование.Обратное Фурье-преобразование.Функция распределения парных расстояний Функция распределения парных расстояний
M.V.Avdeev, M.Balasoiu, V.L.Aksenov, et. al., J. Mag. Mag. Mater. 270 (2004) 371-379
d-бензол + Fe3O4 + OA
Структура магнитных корреляций имеет сложный вид, связанный, по-видимому, с полидисперсностью частиц.
m ~ 3 %
0 5 10 15 20 25 30 350,000
0,001
0,002
0,003
0,004
0,005
0,006
nuclear contribution, Rg=8.0 nm
magnetic contribution, Rg = 12.4 nm
p(r)
r, nm
ядерные корреляции: оболочка ПАВ; магнетит
0 5 10 15 20 25 30 350,000
0,005
0,010
0,015
0,020
nuclear contribution, Rg=7.7 nm
magnetic contribution, Rg = 11.6 nm
p(r)
r, nm
m ~ 7 %
ядерные корреляции: оболочка ПАВ; магнетит
магнитные корреляции
магнитные корреляции
![Page 20: Поляризационный анализ в нейтронографии феррожидкостей](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062321/56813f63550346895daa33af/html5/thumbnails/20.jpg)
I+, I−
N > M
SANS-1, GKSS
ЭлектростатическиЭлектростатически--стабилизированный наномаггемитстабилизированный наномаггемит
0.1 11E-4
1E-3
0.01
0.1
1
10
I(q
), c
m-1
q, nm-1
F2
N
F2
M
(a)
M.V.Avdeev, E.Dubois, R.Perzinsky, et al., J Appl Cryst (2009)
RgN ~ 10 nm
RgM ~ 7.2 nm
Поляризация
H=2.5 T
Маггемит /цитрат-ионы/D2O, pH = 7, 0.01 M цитрат натрия
H+
H+
H+
H+
H+H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
![Page 21: Поляризационный анализ в нейтронографии феррожидкостей](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062321/56813f63550346895daa33af/html5/thumbnails/21.jpg)
Chain formation under MFChain formation under MF
0.00 0.05 0.10 0.15 0.200.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
MA
0
B,T
OA
No magnetorheological effect in perfect stabilized (e.g. alcohol-based) MFs!
Magnetorheological effectMagnetorheological effect
Magnetorheological effect is enhanced by attractive interaction (in absence of magnetic field) !
OA coating
MA coating
weaker initial attraction
stronger initial attraction
magnetite/oil
Диполярные структуры в ФЖДиполярные структуры в ФЖ
![Page 22: Поляризационный анализ в нейтронографии феррожидкостей](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062321/56813f63550346895daa33af/html5/thumbnails/22.jpg)
Диполярные структуры в МЖДиполярные структуры в МЖ
Структурный фактор гексагональной упаковки
H=0
H=0.2 T
SANSPOL
Klokkenburg M et al. Phys. Rev. E 75 051408 (2007)
Крио-ПЭМ (T = 100 K)
V4, HMI
Magnetite/OA+oleylamine/decalin
m = 0.4 %<D> ~ 20 nm,
![Page 23: Поляризационный анализ в нейтронографии феррожидкостей](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062321/56813f63550346895daa33af/html5/thumbnails/23.jpg)
Магнитная вариация контрастаМагнитная вариация контраста
При H < H
Heinemann A, Wiedenmann A J. Appl. Cryst. 36 845 (2003)
Дополнительные выражения для подгонкис повышением точности
Анализ сигнала только от магнитных частиц
Co/oleoylsarkosin/toluenem = 1.0 %<D> ~ 6.4 nm,
V4, HMI
![Page 24: Поляризационный анализ в нейтронографии феррожидкостей](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062321/56813f63550346895daa33af/html5/thumbnails/24.jpg)
Важна химия адсорбции; с практической точки зрения ограничения по C, T!
Слабая «связь» с монодисперсными модельными системами!
Нейтронография полидисперсных многокомпонентных Нейтронография полидисперсных многокомпонентных коллоидных растворовколлоидных растворов
Экономически обоснованы!
Наличие однородной среды в отличие от твердых и мягких нанокомпозитов; промежуточное положение между монодисперсными и безчастичными системами