Neutronenmethoden und mehr

H/D-Kontrastvariation

Die besondere Stärke der Neutronenstreuung bei der Erforschung von Soft-Matter Systemen basiert auf der Möglichkeit durch Einsatz verschiedener Isotope desselben Elements spezifischen Streukontrast zu erzeugen. Bei Soft-Matter Systemen bedient man sich hierbei nahezu ausschliesslich des Ersatzes von leichtem Wasserstoff (H) durch schweren Wasserstoff, Deuterium (D). Die Streueigenschaften dieser beiden Isotope unterscheiden sich drastisch, ein deuteriertes Molekül in einer protonierten Umgenbung (oder umgekehrt) ist deutlich sichtbar.

HD-Contrast.jpg

In Kombination mit entsprechender Chemie kann man so sonst nicht zugängliche strukturelle und dynamische Eigenschaften einzelner Komponenten kompexer Syteme untzersuchen.

Ein elementares klassisches Beispiel ist die Aufklärung der Gestalt (Konformation) eines langen, flexiblen Polymermoleküls in der Schmelze. Ohne Variation des Konrasts einiger der Polymermoleküle bleibt die Gestalt des einzelnen Moleküls praktisch unsichtbar, da es nicht unterscheidbar ist, ob ein Molekülsegment zu demselben oder einem anderen Molekül gehört (alle sehen gleich aus). Wenn nun ein Molekül durch H/D Ersatz markiert ist, kann man die Gestalt der Länge nach durch die andere “Farbe” der zugehörigen Segmente verfolgen. Die Streuintensität entspricht der Konformation des Moleküls. Auf diese Weise wurde in der Pionierzeit der Neutronenstreuung and Soft-Matter Systemen diese Frage mittels Neutronenkleinwinkelstreuung (KWS bzw. SANS) an einer Mischung isotopenmarkierter und “normaler” Polymere eindeutig geklärt: die Gestalt der Polymerkette entspricht der eines sogenannten Gauss’schen Knäuels (quasi wie ein 3D Zufallsweg).

In einem weiteren Schritt kann durch die Analyse der Geschwindigkeitsänderung der Neutronen bei der Streuung (inelastische bzw. quasielastische Streuung) auf die Beweglichkeit dieses Gauss’schen Knäuels oder anderer Strukturen die jeweils zur Streuintensität beitragen, geschlossen werden. Hierzu verwendet man dann vorzugsweise die Neutronenspinecho-Spektroskopie (NSE).

Isotopenmakierte Strukuren die nebeneinander in einer Probe (z.B. einer wässrigen Lösung) vorkommen, können separat angeschaut werden, wenn die sogenannte Streulängendichte der Lösung durch Isotopenmischung eingestellt wird (hier H2O:D2O).

Topics

Letzte Änderung: 24.05.2022