thumb|300px|La difracción de neutrones, utilizada junto con simulaciones moleculares, reveló que el dominio de detección de voltaje de un canal iónico (moléculas roja, amarilla y azul en el centro) perturba la membrana celular de dos capas que lo rodea (superficies amarillas), lo que hace que la membrana se adelgace ligeramente
La difracción de neutrones o dispersión elástica de neutrones es la aplicación de la difracción de neutrones a la determinación de la estructura atómica y/o magnética de un material. Una muestra a examinar se coloca en un haz de neutrones frío o térmico para obtener un patrón de difracción que proporcione información de la estructura del material. La técnica es similar a la cristalografía de rayos X, pero debido a sus diferentes propiedades de dispersión, los neutrones y los rayos X proporcionan información complementaria: los rayos X son adecuados para análisis superficiales, los rayos X más potentes generados en un sincrotrón son adecuados para profundidades someras o muestras delgadas, mientras que los neutrones tienen una alta penetración y son adecuados para muestras volumétricas.Measurement of residual stress in materials using neutrons, Organismo Internacional de Energía Atómica, 2003
Requisitos instrumentales y de muestra
La técnica requiere una fuente de neutrones, que generalmente se producen en un reactor nuclear o mediante espalación. En un reactor de investigación, se necesitan otros componentes, incluido un monocromador de cristal (en el caso de neutrones térmicos), así como filtros para seleccionar la longitud de onda de neutrones deseada. Algunas partes de la configuración también pueden ser móviles. Para los neutrones de longitud de onda larga, no se pueden utilizar cristales, sino que se utilizan rejillas como componentes ópticos difractivos. En una fuente de espalación, la técnica del tiempo de vuelo se utiliza para clasificar las energías de los neutrones incidentes (los neutrones de mayor energía son más rápidos), por lo que no se necesita un monocromador, sino más bien una serie de elementos de apertura sincronizados para filtrar los pulsos de neutrones con la deseada longitud de onda.
La técnica empleada generalmente es la difracción de polvo, que solo requiere un polvo policristalino. También es posible trabajar con un solo cristal, pero los cristales deben ser mucho más grandes que los monocristales que se usan en la cristalografía de rayos X. Es común utilizar cristales de aproximadamente 1 mm3.Paula M. B. Piccoli, Thomas F. Koetzle, Arthur J. Schultz "Single Crystal Neutron Diffraction for the Inorganic Chemist—A Practical Guide" Comments on Inorganic Chemistry 2007, Volume 28, 3-38.
La técnica también requiere un dispositivo que pueda detectar los neutrones después de que se hayan dispersado.
En resumen, la principal desventaja de la difracción de neutrones es la necesidad de disponer de un reactor nuclear. Para el trabajo con un solo cristal, la técnica requiere cristales relativamente grandes, cuyo crecimiento suele ser complicado. Las ventajas de esta técnica son muchas: sensibilidad a los átomos ligeros, capacidad para distinguir isótopos, ausencia de daños por radiación, así como una profundidad de penetración de varios cm.
Dispersión nuclear Como todos los cuantos de partículas, los neutrones pueden exhibir fenómenos ondulatorios típicamente asociados con la luz o con el sonido. La difracción es uno de estos fenómenos, que se produce cuando las olas encuentran obstáculos cuyo tamaño es comparable a su longitud de onda. Si la longitud de onda de una partícula cuántica es lo suficientemente corta, los átomos o sus núcleos pueden servir como obstáculos de difracción. Cuando un haz de neutrones que emana de un reactor se ralentiza y se selecciona adecuadamente según su velocidad, su longitud de onda se sitúa cerca de un ángstrom (0,1 nanómetros), la separación típica entre átomos en un material sólido. En consecuencia, dicho haz se puede utilizar para realizar ensayos de difracción. Al incidir sobre una muestra cristalina, el haz se dispersará bajo un número limitado de ángulos bien definidos, según la ley de Bragg que también describe la difracción de rayos X.
Los neutrones y los rayos X interactúan con la materia de manera diferente. Los rayos X interactúan principalmente con la nube de electrones que rodea cada átomo. Por lo tanto, la contribución a la intensidad de los rayos X difractados es mayor para los átomos con número atómico (Z) mayor. Por otro lado, los neutrones interactúan directamente con el núcleo del átomo, y la contribución a la intensidad difractada depende de cada isótopo; por ejemplo, el hidrógeno normal y el deuterio contribuyen de forma diferente. También suele ocurrir que los átomos ligeros (de bajo número atómico Z) contribuyan fuertemente a la intensidad difractada, incluso en presencia de átomos de números Z elevados. La longitud de dispersión varía de un isótopo a otro en lugar de ser lineal con el número atómico. Un elemento como el vanadio dispersa fuertemente los rayos X, pero sus núcleos apenas dispersan neutrones, por lo que a menudo se utiliza como material contenedor. La difracción de neutrones, no magnética, es directamente sensible a las posiciones de los núcleos de los átomos.
Los núcleos de los átomos en donde se dispersan los neutrones son diminutos. Además, no es necesario considerar un factor de forma atómica para describir la configuración de la nube de electrones del átomo y el poder de dispersión de un átomo no disminuye con el ángulo de dispersión, como ocurre con los rayos X. Por lo tanto, la difracción puede mostrar picos fuertes y bien definidos incluso en ángulos elevados, especialmente si el experimento se realiza a bajas temperaturas. Muchas fuentes de neutrones están equipadas con sistemas de refrigeración de helio líquido que permiten la recopilación de datos a temperaturas de hasta 4,2 K. La magnífica información de alto ángulo (es decir, alta "resolución") significa que las posiciones atómicas en la estructura pueden determinarse con gran precisión. Por otro lado, los mapas de Fourier (y en menor medida, los mapas de Fourier de diferencias) derivados de los datos obtenidos a partir de la difracción de neutrones sufren errores de terminación de serie, a veces de tal magnitud que los resultados no tienen sentido.
Dispersión magnética Aunque los neutrones no están cargados, poseen un momento magnético y, por lo tanto, interactúan con momentos magnéticos, incluidos los que surgen de la nube de electrones alrededor de un átomo. Por lo tanto, la difracción de neutrones puede revelar la estructura magnética microscópica de un material.Neutron diffraction of magnetic materials / Yu. A. Izyumov, V.E. Naish, and R.P. Ozerov ; translated from Russian by Joachim Büchner. New York : Consultants Bureau, c1991.
La dispersión magnética requiere emplear un factor de forma atómica, ya que es causada por una gran nube de electrones situada alrededor de un núcleo mucho más pequeño. Por lo tanto, la intensidad de la contribución magnética a los picos de difracción disminuirá con ángulos de incidencia más altos.
Utilización La difracción de neutrones se puede utilizar para determinar el factor de estructura de gases, líquidos o sólidos amorfos. Sin embargo, la mayoría de los experimentos apuntan a la estructura de los sólidos cristalinos, lo que hace que la difracción de neutrones sea una herramienta importante en cristalografía.
Está estrechamente relacionada con la difracción de polvo mediante rayos X.Neutron powder diffraction by Richard M. Ibberson and William I.F. David, Chapter 5 of Structure determination form powder diffraction data IUCr monographphs on crystallography, Oxford scientific publications 2002, De hecho, la versión monocristalina de la técnica se utiliza con menos frecuencia porque las fuentes de neutrones actualmente disponibles requieren muestras relativamente grandes y los monocristales grandes son difíciles o imposibles de conseguir para la mayoría de los materiales. Sin embargo, los acontecimientos futuros bien podrían cambiar este panorama. Dado que los datos suelen ser un difractograma de polvo 1D, generalmente se procesan utilizando el refinamiento de Rietveld. De hecho, este procedimiento tuvo su origen en la difracción de neutrones (en Petten, Países Bajos) y posteriormente se amplió para su uso en la difracción de rayos X.
Una aplicación práctica de la dispersión/difracción de neutrones elásticos es que el parámetro de red de los metales y de otros materiales cristalinos se puede medir con mucha precisión. Junto con un microposicionador alineado con precisión, se puede deducir un mapa de la constante de red a través del metal. Esto se puede convertir fácilmente al campo de las tensiones experimentadas por el material, lo que se ha utilizado para analizar el comportamiento mecánico de los materiales en el sector aeroespacio y en la industria automotriz entre otros campos. La alta profundidad de penetración permite medir tensiones residuales en componentes a granel como cigüeñales, pistones, rieles y engranajes. Esta técnica ha llevado al desarrollo de difractómetros de tensión específicos, como el instrumento ENGIN-X empledo con la fuente de neutrones ISIS.
La difracción de neutrones también se puede emplear para dar una idea de la estructura 3D de cualquier material que se analice.
Otro uso es para la determinación del número de solvatación de pares iónicos en soluciones de electrolitos.
El efecto de dispersión magnética se ha utilizado desde el establecimiento de la técnica de difracción de neutrones para cuantificar los momentos magnéticos en materiales y estudiar la orientación y estructura de los dipolos magnéticos. Una de las primeras aplicaciones de la difracción de neutrones fue el estudio de las orientaciones de los dipolos magnéticos en óxidos de metales de transición antiferromagnéticos como los óxidos de manganeso, hierro, níquel y cobalto. Estos experimentos, realizados inicialmente por Clifford Shull, fueron los primeros en mostrar la existencia de una disposición antiferromagnética de dipolos magnéticos en una estructura material. Actualmente, la difracción de neutrones se sigue utilizando para caracterizar materiales magnéticos recientemente desarrollados.
Hidrógeno, dispersión nula y variación de contraste La difracción de neutrones se puede utilizar para establecer la estructura de materiales de bajo número atómico, como proteínas y tensioactivos, mucho más fácilmente y con un flujo menor que con una fuente de radiación sincrotrónica. Esto se debe a que algunos materiales de bajo número atómico tienen una sección transversal más alta para la interacción de neutrones que los materiales de mayor peso atómico.
Una ventaja importante de la difracción de neutrones sobre la difracción de rayos X es que esta última es bastante insensible a la presencia de hidrógeno (H) en una estructura, mientras que los núcleos 1H y 2H (es decir, deuterio, D) son fuertes dispersores de neutrones. El mayor poder de dispersión de los protones y deuterones significa que la posición del hidrógeno en un cristal y sus movimientos térmicos pueden determinarse con mayor precisión mediante difracción de neutrones. Las estructuras de complejos de hidruro metálicos, como por ejemplo, el Mg2FeH6, se han evaluado mediante difracción de neutrones.Robert Bau, Mary H. Drabnis "Structures of transition metal hydrides determined by neutron diffraction" Inorganica Chimica Acta 1997, vol. 259, pp/ 27-50.
Las longitudes de dispersión de neutrones bH = -3.7406(11) fm y bD = 6.671(4) fm, para H y D respectivamente, tienen signo opuesto, lo que permite a la técnica distinguirlas. De hecho, existe una relación de isótopos particular para la que la contribución del elemento se cancelaría, lo que se denomina dispersión nula.