Quasielastische Neutronenstreuung (QENS)

 

Quasielastische Neutronenstreuung (QENS) ist eine Methode der Neutronenstreuung, welche einen Zugang zu niederenergetischen, kollektiven Bewegungen, Diffusionsbewegungen oder molekulare Reorientierungen schafft. Daher wird QENS häufig genutzt, um die Dynamik von Proteinen, Polymeren oder ionischen Flüssigkeiten zu untersuchen. Aber auch die Diffusion in Festkörpern ist zugänglich, so die Wasserstoffdiffusion in Metallen und Wasserstoffspeichern oder Festkörperionenleitern. Des Weiteren sind auch magnetische Fluktuationen zugänglich.

QENS misst das energetisch verbreiterte Signal um die elastische Linie und erfasst Energieüberträge bis in den sub-µeV-Bereich, wodurch dynamische Prozesse auf Zeitskalen von 10-13 bis 10-7 s und auf Längenskalen von 1 bis 500 Å zugänglich sind. Aus dem quasielastischen Signal kann der Diffusionstyp bestimmt werden, d. h. Rotation- oder Translationsdiffusion sowie Aktivierungsenergien der beteiligten Prozesse. Da QENS die inkohärenten Streuquerschnitte ausnutzt, ist das Verhalten wasserstoffhaltiger Moleküle oder Gruppen besonders gut messbar.

  QENS-Schema Urheberrecht: © MZ

Die Abbildung zeigt schematisch das Signal einer elastischen Linie bei einer Temperatur T1, bei welcher keine dynamischen Prozesse auftreten. Durch Erhöhung der Temperatur der Probe auf T2 > T1 wird ein dynamischer Prozess angeregt, z. B. die Diffusion eines Moleküls auf einer Oberfläche. Dieser Diffusionsprozess erzeugt ein quasielastisches Signal, das einen breiteren Beitrag (rote Kurve) liefert.

An unserem Institut nutzen wir QENS, um die Diffusionsmodi von Wassermolekülen und von organischen Molekülen an Grenzflächen von Nanopartikeln zu bestimmen, siehe QENS-Projekt.

Weiterführende Literatur zu QENS:

A practical guide to quasi-elastic neutron scattering, Mark T. F. Telling, 2020, Royal Society of Chemistry

Quasielastic Neutron Scattering and Solid State Diffusion (Oxford Series on Neutron Scattering in Condensed Matter, 13, Band 13), Oxford University Press; New Edition (30. November 2000)