准弹性中子散射(QENS)在受限水动态研究中的应用

准弹性中子散射(Quasi-elastic neutron scattering,QENS)实验是研究受限水动态的一种重要实验手段。水泥样品中存在有结合水和受限水,各自的含量随着水泥样品的老化时间、环境温度、水和水泥(w/c)质量比、添加剂等因素的不同而变化,处于强受限状态的水的动态特性影响着水泥石的耐久性和力学特性,因此,水泥样品中受限水动态的研究具有重要的意义。本文综述了近年来水泥样品中受限移动水含量比例和受限水动态的QENS实验研究,着重介绍采用弛豫盒子模型(Relaxing cage model,RCM),对QENS谱实验数据的拟合分析,得到描述水泥样品中受限水动态相关信息的关键物理参数:受限移动水比例系数1-p,微纳孔中受限水分子在某位置上的诱捕(俘获)时间?0、受限水平均迁移弛豫时间<?>及其自扩散系数D,表征水泥样品微纳孔均匀性的形状因子?等,为QENS实验在受限水动态研究中的应用提供一种合理实用的方法。

正丙醇水溶液准弹性中子散射光谱的分子动力学模拟

准弹性中子散射(QENS)光谱是获取溶液分子动力学性质的重要方法,但光谱解析模型的有效性和去耦合近似的合理性仍存在争议.本文利用分子动力学模拟方法获取纯水和正丙醇水溶液中羟基氢原子的自相关中间散射函数FS(Q,t)和去耦合近似函数FP(Q,t),以及相关性质来评价它们的合理性.结果表明,在低动量转移范围内平-转去耦合近似相对合理,水分子的平-转耦合贡献较小,混合溶液中水分子的平-转耦合项和转动项随动量转移Q值增大而增大,二者显现相互抵消趋势.对于混合溶液中的正丙醇羟基氢原子,由于FS(Q,t)和质心自相关中间散射函数FCM(Q,t)偏差较大,利用实验光谱直接拟合分子平动扩散系数是不合适的.三种平动模型获取的纯水和正丙醇水溶液分子平动扩散系数与实验结果一致,略高于Einstein均方位移方法所得结果.水分子在纯水和混合溶液中表现为跳跃转动,而不是连续转动.正丙醇分子存在转动各向异性,羟基氢原子沿羟基向量为跳跃转动,沿相对质心向量可近似为连续转动.模拟结果显示,高动量转移范围平-转耦合项贡献较大,直接拟合实验光谱获取分子转动扩散系数或弛豫时间是不合适的.鉴于低动量转移范围内转动和平转耦合贡献较小,以及二者的抵消作用,在此范围内获取水分子平动信息是现实可行的.

基于准弹性中子散射谱分析水化硅酸钙(C-S-H)中受限水的动态

研究水化硅酸钙(C-S-H)中受限水动态的一种重要手段是准弹性中子散射(quasi-elastic neutron scattering,QENS)实验.C-S-H样品的QENS谱数据可通过跳跃扩散和转动扩散模型进行分析拟合,进而导出C-S-H样品微纳孔中水动态的相关物理参数:不动水指数C、转动扩散系数Dr、均方位移<u^2 >、自扩散系数Dt及平均停留时间τ_0.本文对水与水泥质量比为30%的C-S-H样品,测量温度为230—280 K的QENS谱进行了分析,得到的拟合参数可定量描述C-S-H样品内不同尺度的微纳孔中受限水随温度变化的动态过程.转动扩散系数D_r随散射矢量Q的变化可知,Q值较大时,水分子的转动对QENS谱影响较大.均方位移<u^2>随Q值的不同而变化,其拟合值可区分C-S-H样品中的不动水、强受限水和受限水.在Q较小时,D_t和τ_0的拟合值随温度而变化,并分别在230和240 K突然增大,由此揭示温度为230—240 K时,C-S-H样品中受限水分子的动态特性发生了转变.

水泥样品的准弹性中子散射谱分析

准弹性中子散射(Quasi-Elastic Neutron Scattering,QENS)实验是采用中子散射技术方法研究受限水动态的重要方法。本文采用跳跃扩散和转动扩散模型(Jump-Diffusion and Rotation-Diffusion Model,JRM)对水化硅酸镁(Magnesium-Silicate-Hydrate,M-S-H)和水化硅酸钙(Calcium-Silicate-Hydrate,C-S-H)水泥样品的QENS谱数据进行分析拟合。样品QENS谱的测量温度为210~280 K,散射矢量为3~19 nm^-1,获得描述水泥样品微纳孔中三维受限水动态的相关物理参数包括:德拜沃伦因子A、不动水指数C、自扩散系数Dt、平均停留时间τ0和转动扩散系数Dr。拟合结果表明:水泥样品M-S-H和C-S-H的QENS谱拟合效果较好。数据拟合参数值表明:水泥样品内较大尺度纳米孔隙内的三维受限水在227 K出现相跨越。

水泥老化过程中水动态的准弹性中子散射(QENS)谱分析

准弹性中子散射(quasi-elastic neutron scattering,QENS)实验是研究水泥老化过程中水动态的一种新颖的实验方法.本文利用老化时间分别为7,14和30 d水泥样品的QENS谱实验数据,通过应用四个高斯项的和的能量分辨函数R(Q,E)代替一个高斯项的能量分辨函数来改进经验扩散模型(empirical diffusion model,EDM),再进行非线性最小二乘拟合.由此导出水泥样品中水动态的相关物理参数:不动水数密度A,自由水指数FWI=B1/(A+B1+B2),洛伦兹函数的半高宽Γ,移动水跳跃之间的平均停留时间τ0及自扩散系数D t,而且可得出更为精准的QENS谱拟合曲线.拟合得到的物理参数可定量描述水泥老化过程中水动态过程,从而为QENS实验在水泥老化过程中水动态研究的应用提供一种合理实用的谱分析方法.

原子间相互作用对无序大分子结构和动力学影响的中子散射研究

不同单体在原子尺度的相互作用使得不同大分子体系在微观、介观的多尺度复杂结构及动力学行为有明显差异,从而进一步影响了体系的宏观性质.联用中子散射和计算机模拟,利用相同分子量和分子量分布的氘代大分子与氢化大分子具有相同分子结构、不同中子衬度,以及中子散射和计算机模拟宽广的时间、空间观察尺度,我们可以得到无序大分子体系最可几全原子结构,进而分析其从原子到纳米的多尺度空间结构,与从皮秒到微秒的多模式动力学行为的成因.近年来,我们使用该方法,从小分子到大分子的稀溶液、溶胀体系,从大分子熔体到玻璃态,成功分析了原子间相互作用对不同空间尺度结构和跨时间运动模式动力学行为的影响.本文介绍了这些典型的例子,希望将该方法推广到更广阔的研究领域,把大分子原子结构的多样性与多尺度的复杂结构和动力学有机地联系起来.

利用中子散射探索生命世界中的物理奥秘

中子散射是利用入射中子与原子核发生碰撞以后中子动量与能量的改变来研究微观世界的一种技术。由于中子对氢原子的散射截面远大于其他元素的独特属性,使得中子散射在研究包含大量氢元素的生物大分子的结构以及动力学特性方面都有卓越的应用。文章对中子散射在生物方面的应用进行了探讨,重点介绍了中子衍射、结合衬度变换技术的小角中子散射、准弹性/非弹性中子散射和中子自旋回波技术,以及它们在研究生物大分子结构、动力学及其功能方面的应用。最后对中子散射未来在生命科学中探索新的物理现象进行了探讨和展望。

中子散射在化学测量学中的应用

中子的特性使其能在化学测量学中发挥独特的作用:中子直接作用于原子核,穿透性强,这使复杂样品环境下的原位测量成为可能;对轻元素和同位素敏感,可以选择性观察物质内部的复杂结构;波长和能量与原子间距离和特征弛豫时间相符,从而可以覆盖多尺度的时空探测范围.中子散射方法自诞生之日起,在化学领域的研究中就起着重要作用.然而,由于缺乏大型中子源设施,我国在中子散射领域发展较慢.随着中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source,CSNS)于2018年验收,并面向全世界用户开放,越来越多的中子散射用户开始了解中子散射方法.本文将分别按照测量的特征空间尺寸从小到大,介绍弹性中子散射方法的中子衍射、中子反射和小角中子散射;按照动力学特征时间从快到慢,介绍准弹性中子散射方法的中子背散射与中子自旋回波,在配位化学、高分子化学、物理化学、电化学及生物化学等领域中的应用,从而进一步推广中子散射方法,为我国化学领域的发展服务.

硅酸盐水泥水化动力学模型与试验方法研究进展

水泥水化过程决定水泥基材料强度、耐久性等诸多性能,深入理解水泥水化机理具有重要的科学意义和工程价值。本工作回顾了硅酸盐水泥水化动力学模型的最新研究进展,评述了GEMS热力学计算、HymoStruc3D和CEMHY3D等水化数值模拟方法及其局限性,总结了准弹性中子散射和核磁共振等先进测试手段在研究水泥水化过程中水态演变和孔结构发展中的具体应用,提出了该领域未来研究的趋势和挑战。