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.

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.