중성자 회절

중성자 회절(Neutron diffraction) 또는 탄성 중성자 산란은 재료의 원자 및 자기 구조를 결정하는 데 중성자 산란을 적용하는 것이다. 검사할 시료를 열 또는 냉 중성자선에 노출시켜 재료의 구조에 대한 정보를 제공하는 회절 패턴을 얻는다. 이 기술은 엑스선 회절과 유사하지만, 서로 다른 산란 특성으로 인해 중성자와 엑스선은 상호 보완적인 정보를 제공한다. 엑스선은 표면 분석에 적합하고, 싱크로트론 방사에서 나오는 강력한 엑스선은 얕은 깊이나 얇은 시료에 적합한 반면, 중성자는 높은 투과 깊이를 가지므로 벌크 시료에 적합하다.Measurement of residual stress in materials using neutrons, IAEA, 2003

 역사 
 중성자의 발견 

1921년, 미국의 화학자이자 물리학자인 윌리엄 D. 하킨스는 원자 구조와 핵 반응을 연구하면서 "중성자"라는 용어를 도입했다. 그는 당시 실험적 증거는 없었지만 원자핵 내부에 중성 입자의 존재를 제안했다. 1932년, 영국의 물리학자 제임스 채드윅은 중성자의 존재를 실험적으로 증명했다. 그의 발견은 이 중성 아원자 입자의 존재를 확인했으며, 그는 1935년에 노벨 물리학상을 수상했다. 채드윅의 연구는 이전에 이렌과 프레데리크 졸리오퀴리의 연구에 영향을 받았는데, 이들은 설명되지 않은 중성 방사선을 감지했지만 이를 별개의 입자로 인식하지 못했다. 중성자는 양성자보다 질량이 크지만 전하가 없는 원자핵에 존재하는 아원자 입자이다.

1930년대에 엔리코 페르미와 동료들은 중성자 산란의 기초를 확립하는 이론적 기여를 했다. 페르미는 중성자가 원자핵과 상호 작용하는 방식을 이해하기 위한 프레임워크를 개발했다.

 초기 회절 연구 
회절은 1936년에 폰 할반(von Halban)과 프라이스베르크(Preiswerk), 그리고 미첼(Mitchell)과 파워스(Powers) 두 그룹에 의해 처음 관찰되었다. 1944년, 아서 콤프턴 아래에서 엑스선 산란 박사 학위 연구 경험이 있던 어니스트 O. 월런은 새로 가동된 X-10 원자로의 열중성자를 결정학에 적용할 가능성을 인식했다. 클리포드 G. 셜과 합류하여 1940년대 내내 중성자 회절을 개발했다.

1945년에 어니스트 O. 월런은 오크리지의 흑연 원자로를 사용하여 중성자 회절 실험을 수행했다. 그는 곧이어 (1946년 6월) 클리포드 셜과 합류했으며, 그들은 함께 이 기술의 기본 원리를 확립하고 이를 많은 다른 재료에 성공적으로 적용하여 얼음의 구조 및 재료 내 자기 모멘트의 미세 배열과 같은 문제들을 해결했다. 이 업적으로 셜은 1994년 노벨 물리학상의 절반을 수상했다. (월런은 1984년에 사망했다.) (1994년 노벨 물리학상의 나머지 절반은 버트 브록하우스가 AECL의 초크 리버 시설에서 비탄성 산란 기술을 개발한 공로로 받았다. 여기에는 삼축 분광계의 발명도 포함된다.)

 1950–60년대 
원자로 및 파쇄원과 같은 중성자원의 개발이 이루어졌다. 이는 고강도 중성자 빔을 가능하게 하여 고급 산란 실험을 수행할 수 있게 했다. 특히, 오크리지의 고플럭스 동위원소 원자로(HFIR)와 프랑스 그르노블의 라우에 랑주뱅 연구소(ILL)는 중성자 산란 연구의 핵심 기관으로 부상했다.

 1970–1980년대 
이 시기에는 재료 과학, 구조 및 거동의 다양한 측면을 탐구하기 위한 기술을 개발함으로써 중성자 산란 기술이 크게 발전했다.

소각 중성자 산란 (SANS): 재료의 대규모 구조적 특징을 조사하는 데 사용된다. 글래터(Glatter)와 크라트키(Kratky)의 연구는 이 방법의 발전에 기여했지만, 주로 엑스선을 위해 개발되었다.

비탄성 중성자 산란 (INS): 미시적 수준에서의 동적 과정에 대한 통찰력을 제공한다. 주로 원자 및 분자 운동을 조사하는 데 사용된다.
섬네일|1949년, 어니스트 월런과 클리포드 셜은 ORNL 흑연 원자로의 남쪽 면에 위치한 이중 결정 중성자 분광기를 사용하여 데이터를 수집하는 실험을 수행했다.

 1990년-현재 
최근 발전은 향상된 소스, 정교한 탐지기 및 향상된 전산 기술에 중점을 둔다. 미국 SNS(스폴레이션 중성자원) 및 영국 ISIS 중성자 및 뮤온 소스에서 스폴레이션 소스가 개발되어 비행 시간 실험을 위한 펄스 중성자 빔을 생성할 수 있다. 또한 중성자 이미징 및 리플렉토메트리가 개발되었으며, 이는 표면, 계면 및 박막 구조를 분석하는 강력한 도구로 재료 특성에 대한 귀중한 통찰력을 제공한다.

 중성자 산란, 엑스선 회절 및 전자 산란의 비교 
+특징중성자 회절엑스선 회절전자 산란원리원자핵 및 자기 모멘트와 상호 작용하여 핵 및 자기 산란을 가능하게 한다전자 구름에서 산란되어 전자 밀도 탐사를 가능하게 한다.정전기 퍼텐셜에서 산란되어 전자 밀도 탐사를 가능하게 한다.침투 깊이높음 (중성자가 깊이 침투하므로 벌크 재료 연구에 적합하다)보통 (좋은 침투력을 가지지만 중원소에 의한 흡수도 있다)낮음 (전자가 강하게 흡수되므로 표면 연구에 적합하다) 또는 에너지에 따라 상당히 깊다.경원소 감도높음 (수소 또는 리튬과 같은 가벼운 원소에 매우 민감하다)낮음 (가벼운 원소에 대한 감도가 낮다)높음 (가벼운 원소를 검출할 수 있다).자기 연구우수함 (자기 구조 및 스핀 동역학을 탐사할 수 있다)제한적 (공명 자기 산란과 같은 특수 기술이 필요하다)국부적 정보 제공해상도높음 (기술 및 장비에 따라 다름)높음 (결정 구조에 대해 매우 정밀한 위치를 얻을 수 있다)매우 높음 (높은 해상도를 달성할 수 있다)시료 환경효율적 (다양한 환경에서 시료를 연구하는 데 사용된다)효율적제한적 (진공 및 얇은 시료가 필요하다)응용재료의 구조 및 재료의 자기적 특성.엑스선결정학벌크 재료, 표면, 결함에 사용된다. 전자 회절 참조

 원리 

 과정 
중성자는 핵분열, 파쇄, 저에너지 핵 반응의 세 가지 주요 과정을 통해 생성된다.

 핵분열 
연구용 원자로에서 핵분열은 우라늄-235 (235U)와 같은 핵분열성 핵이 중성자를 흡수하여 두 개의 작은 조각으로 분열될 때 발생한다. 이 과정은 추가 중성자와 함께 에너지를 방출한다. 평균적으로 각 핵분열 이벤트는 약 2.5개의 중성자를 생성한다. 하나의 중성자는 연쇄반응을 유지하는 데 필요하지만, 여분의 중성자는 다양한 실험 응용에 활용될 수 있다.

 파쇄 
파쇄원에서는 고에너지 양성자(약 1 GeV)가 중금속 표적(예: 우라늄(U), 텅스텐(W), 탄탈럼(Ta), 납(Pb), 또는 수은(Hg))을 충돌시킨다. 이 상호 작용으로 인해 핵이 중성자를 방출한다. 양성자 상호 작용은 이벤트당 약 10~30개의 중성자를 생성하며, 대부분은 "증발 중성자"(~2 MeV)로 알려져 있고, 소수는 최대 GeV 범위의 에너지를 가진 "캐스케이드 중성자"로 식별된다. 파쇄는 중성자 생산에 매우 효율적인 기술이지만, 고에너지 입자를 생성하므로 안전을 위해 차폐가 필요하다.
섬네일|중성자 산란 실험을 위한 세 가지 주요 근본적인 중성자 생성 과정: 핵분열 (상단), 파쇄 (중앙), 저에너지 반응 (하단).

 저에너지 핵 반응 
저에너지 핵 반응은 가속기 구동 소스에서 중성자 생산의 기초이다. 선택된 표적 재료는 에너지 준위에 따라 달라진다. 리튬(Li) 및 베릴륨(Be)과 같은 가벼운 금속은 30 MeV 미만에서 최대 가능한 반응 속도를 달성하는 데 사용될 수 있는 반면, 텅스텐(W) 및 탄소(C)와 같은 무거운 원소는 312 MeV 이상에서 더 나은 성능을 제공한다. 이러한 소형 가속기 구동 중성자원(CANS)은 성숙하여 이제 핵분열 및 파쇄원의 성능에 근접하고 있다.

 드브로이 관계 
중성자 산란은 중성자의 파동-입자 이중성에 의존한다. 드브로이 관계는 중성자의 파장 (λ)을 그 에너지 (E)와 연결한다.

여기서 h는 플랑크 상수, p는 중성자의 운동량, m은 중성자의 질량, v는 중성자의 속도이다.

 산란 
중성자 산란은 원자 간 거리를 감지하고 재료의 동역학을 연구하는 데 사용된다. 이는 탄성 산란과 비탄성 산란이라는 두 가지 주요 원리를 포함한다.

탄성 산란은 중성자가 산란되는 각도를 관찰하여 재료의 구조적 특성에 대한 통찰력을 제공한다. 결과적으로 나타나는 산란 패턴은 결정, 액체 및 비정질 재료의 원자 구조에 대한 정보를 제공한다.

비탄성 산란은 상호 작용 중 중성자 에너지 및 운동량 변화 연구를 통해 재료 동역학에 중점을 둔다. 이는 고체 재료의 포논, 마그논 및 기타 여기를 연구하는 데 핵심이다.

 중성자-물질 상호작용 
엑스선은 원자의 전자 구름과 상호작용함으로써 정전기적 상호작용을 통해 물질과 상호작용한다. 이는 전자에 의해 강하게 산란될 수 있기 때문에 그 적용을 제한한다. 중성자는 중성임에도 불구하고 주로 단거리 강한 힘을 통해 원자핵과 상호작용한다. 핵은 전자 구름보다 훨씬 작기 때문에 대부분의 물질은 중성자에 투명하며 더 깊이 침투할 수 있다. 중성자와 핵 사이의 상호작용은 페르미 유사퍼텐셜로 설명된다. 즉, 중성자는 중간자 질량 문턱값보다 훨씬 위에 있으므로 효과적으로 점 같은 산란자로 취급될 수 있다. 대부분의 원소는 중성자를 흡수하는 경향이 낮지만, 카드뮴(Cd), 가돌리늄(Gd), 헬륨(3He), 리튬(6Li), 붕소(10B)와 같은 특정 원소는 핵 공명 효과로 인해 강력한 중성자 흡수를 나타낸다. 흡수 가능성은 중성자 파장에 따라 증가한다(σa ∝ λ). 즉, 느린 중성자가 빠른 중성자보다 더 쉽게 흡수된다.

 장비 및 시료 요구 사항 
이 기술은 중성자원을 필요로 한다. 중성자는 일반적으로 원자로 또는 파쇄원에서 생성된다. 연구용 원자로에서는 (열중성자의 경우) 결정 단색화 장치와 원하는 중성자 파장을 선택하기 위한 필터 등 다른 부품도 필요하다. 설정의 일부는 이동식일 수도 있다. 장파장 중성자의 경우 결정은 사용할 수 없고 대신 회절 광학 부품으로 격자를 사용한다. 파쇄원에서는 비행 시간 기술을 사용하여 입사 중성자의 에너지(에너지가 높은 중성자는 더 빠르다)를 분류하므로 단색화 장치가 필요 없지만, 원하는 파장의 중성자 펄스를 필터링하기 위해 일련의 조리개 요소가 동기화되어야 한다.

이 기술은 일반적으로 분말 회절로 수행되며, 이는 다결정 분말만 필요로 한다. 단결정 작업도 가능하지만, 결정은 단결정 엑스선결정학에 사용되는 것보다 훨씬 커야 한다. 약 1 mm3 크기의 결정을 사용하는 것이 일반적이다.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. 

이 기술은 또한 산란된 중성자를 검출할 수 있는 장치를 필요로 한다.

요약하자면, 중성자 회절의 주요 단점은 원자로가 필요하다는 것이다. 단결정 작업의 경우, 이 기술은 비교적 큰 결정을 필요로 하며, 대부분의 재료에서는 큰 단결정을 얻기가 어렵거나 불가능하다. 그러나 미래의 발전은 이러한 상황을 바꿀 수도 있다. 이 기술의 장점은 많다. 가벼운 원자에 대한 감도, 동위 원소 구별 능력, 방사선 손상 부재, 그리고 수 센티미터의 침투 깊이를 들 수 있다.

 핵 산란 
모든 양자 기본 입자와 마찬가지로, 중성자는 일반적으로 빛이나 소리와 관련된 파동 현상을 나타낼 수 있다. 회절은 이러한 현상 중 하나이다. 파동의 크기가 파장과 비슷한 장애물에 부딪힐 때 발생한다. 양자 입자의 파장이 충분히 짧으면 원자 또는 그 핵이 회절 장애물 역할을 할 수 있다. 원자로에서 나오는 중성자 빔이 속도에 따라 적절히 감속되고 선택되면, 그 파장은 고체 물질에서 원자 간의 전형적인 분리 거리인 1 옹스트롬 () 근처에 놓인다. 이러한 빔은 회절 실험을 수행하는 데 사용될 수 있다. 결정 시료에 부딪히면 엑스선 회절을 설명하는 것과 동일한 브래그 법칙에 따라 제한된 수의 잘 정의된 각도로 산란된다.

중성자와 엑스선은 물질과 다르게 상호 작용한다. 엑스선은 주로 각 원자를 둘러싼 전자 구름과 상호 작용한다. 따라서 회절된 엑스선 강도에 대한 기여는 원자 번호(Z)가 큰 원자일수록 커진다. 반면 중성자는 원자의 핵과 직접 상호 작용하며, 회절된 강도에 대한 기여는 각 동위 원소에 따라 달라진다. 예를 들어, 일반 수소와 중수소는 다르게 기여한다. 또한 가벼운 (낮은 Z) 원자가 큰 Z 원자가 존재하더라도 회절된 강도에 강하게 기여하는 경우가 많다. 산란 길이는 원자 번호에 선형적으로 비례하기보다는 동위 원소마다 다르다. 바나듐과 같은 원소는 엑스선을 강하게 산란시키지만, 그 핵은 중성자를 거의 산란시키지 않으므로 종종 용기 재료로 사용된다. 비자기 중성자 회절은 원자핵의 위치에 직접 민감하다.

중성자가 산란되는 원자핵은 아주 작다. 더욱이, 원자의 전자 구름 형태를 설명하기 위한 원자 형태 인자가 필요 없으며, 원자의 산란 능력은 엑스선과 같이 산란각에 따라 감소하지 않는다. 따라서 회절도는 특히 저온에서 실험이 수행될 경우 높은 각도에서도 강하고 잘 정의된 회절 피크를 보여줄 수 있다. 많은 중성자원은 액체 헬륨 냉각 시스템을 갖추고 있어 4.2 K까지의 온도에서 데이터를 수집할 수 있다. 뛰어난 고각(즉, 고해상도) 정보는 구조 내 원자 위치를 높은 정밀도로 결정할 수 있음을 의미한다. 반면에 중성자 데이터에서 파생된 푸리에 맵(Fourier map) (그리고 그보다 덜한 차이 푸리에 맵(difference Fourier map))은 시리즈 종료 오류로 인해 때로는 결과가 무의미할 정도로 심각하게 영향을 받는다.

 자기 산란 
중성자는 전하를 띠지 않지만, 자기 모멘트를 가지고 있으므로 원자를 둘러싼 전자 구름에서 발생하는 자기 모멘트를 포함한 자기 모멘트와 상호 작용한다. 따라서 중성자 회절은 물질의 미시적 자기 구조를 밝힐 수 있다.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.

자기 산란은 작은 핵 주변의 훨씬 큰 전자 구름에 의해 발생하므로 원자 형태 인자가 필요하다. 따라서 회절 피크에 대한 자기 기여의 강도는 고각 쪽으로 감소한다.

 용도 
중성자 회절은 기체, 액체 또는 비정질 고체의 정적 구조 인자를 결정하는 데 사용될 수 있다. 그러나 대부분의 실험은 결정질 고체의 구조를 목표로 하며, 중성자 회절을 결정학의 중요한 도구로 만든다.

중성자 회절은 엑스선 분말 회절과 밀접하게 관련되어 있다.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,  실제로 이 기술의 단결정 버전은 현재 사용 가능한 중성자원이 비교적 큰 시료를 필요로 하고 대부분의 재료에서 큰 단결정을 얻기가 어렵거나 불가능하기 때문에 덜 일반적으로 사용된다. 그러나 미래의 발전은 이러한 상황을 바꿀 수도 있다. 데이터가 일반적으로 1D 분말 회절도이기 때문에 주로 리트벨트 정밀화를 사용하여 처리된다. 실제로 후자는 중성자 회절(네덜란드 페텐에서)에서 시작되었으며 나중에 엑스선 회절에 사용되도록 확장되었다.

탄성 중성자 산란/회절의 한 가지 실용적인 응용은 금속 및 기타 결정질 재료의 격자 상수를 매우 정확하게 측정할 수 있다는 것이다. 정확하게 정렬된 미세 위치기와 함께 금속을 통해 격자 상수의 지도를 얻을 수 있다. 이는 재료가 경험하는 응력장으로 쉽게 변환될 수 있다. 이는 항공우주 및 자동차 부품의 응력을 분석하는 데 사용되어 왔다. 높은 침투 깊이는 크랭크샤프트, 피스톤, 레일, 기어와 같은 벌크 부품의 잔류 응력을 측정할 수 있도록 한다. 이 기술은 ISIS 중성자원의 ENGIN-X 장비와 같은 전용 응력 회절계의 개발로 이어졌다.

중성자 회절은 회절하는 모든 재료의 3D 구조에 대한 통찰력을 제공하는 데에도 활용될 수 있다.

또 다른 용도는 전해질 용액에서 이온 쌍의 용매화수를 결정하는 것이다.

자기 산란 효과는 중성자 회절 기술이 확립된 이래로 재료의 자기 모멘트를 정량화하고 자기 쌍극자 방향 및 구조를 연구하는 데 사용되어 왔다. 중성자 회절의 초기 응용 중 하나는 망가니즈, 철, 니켈 및 코발트 산화물과 같은 반강자성 전이 금속 산화물에서 자기 쌍극자 방향을 연구하는 것이었다. 클리포드 셜이 처음 수행한 이 실험들은 재료 구조 내에서 자기 쌍극자의 반강자성 배열의 존재를 보여준 최초의 실험이었다. 현재 중성자 회절은 새로 개발된 자기 재료를 특성화하는 데 계속 사용되고 있다.

 수소, 널-산란 및 대비 변화 
중성자 회절은 싱크로트론 방사원보다 낮은 플럭스로도 단백질 및 계면활성제와 같은 낮은 원자 번호 재료의 구조를 훨씬 쉽게 확립하는 데 사용될 수 있다. 이는 일부 낮은 원자 번호 재료가 높은 원자량 재료보다 중성자 상호 작용에 대한 단면적이 더 크기 때문이다.

엑스선 회절에 비해 중성자 회절의 주요 이점 중 하나는 엑스선이 구조 내 수소(H)의 존재에 상당히 둔감한 반면, 핵 1H 및 2H (즉, 중수소, D)는 중성자에 대한 강한 산란체라는 것이다. 양성자와 중수소의 더 큰 산란 능력은 결정 내 수소의 위치와 그 열운동을 중성자 회절을 통해 더 높은 정밀도로 결정할 수 있음을 의미한다. 금속 수소화물 복합체, 예를 들어 Mg2FeH6의 구조는 중성자 회절을 통해 평가되었다.Robert Bau, Mary H. Drabnis "Structures of transition metal hydrides determined by neutron diffraction" Inorganica Chimica Acta 1997, vol. 259, pp/ 27–50. 

H와 D에 대한 중성자 산란 길이 bH = −3.7406(11) fm 및 bD = 6.671(4) fm은 부호가 반대이므로 이 기술로 이들을 구별할 수 있다. 실제로 원소의 기여가 상쇄되는 특정 동위 원소 비율이 있는데, 이를 널-산란(null-scattering)이라고 한다.

시료에 비교적 높은 농도의 H가 있는 것은 바람직하지 않다. H-핵에 의한 산란 강도는 큰 비탄성 성분을 가지며, 이는 산란각에 거의 독립적인 큰 연속적인 배경을 생성한다. 탄성 패턴은 시료가 결정질인 경우 일반적으로 날카로운 브래그 반사로 구성된다. 이들은 비탄성 배경에 묻히는 경향이 있다. 이 기술이 액체 구조 연구에 사용될 때는 더욱 심각하다. 그럼에도 불구하고, 다른 동위 원소 비율로 시료를 준비함으로써 복잡한 구조 내에서 한 원소를 강조할 수 있을 만큼 산란 대비를 변경하는 것이 가능하다. 다른 원소의 변화도 가능하지만 일반적으로 상당히 비싸다. 수소는 저렴하고 특히 흥미로운데, 이는 생화학 구조에서 예외적으로 큰 역할을 하며 다른 방법으로는 구조적으로 연구하기 어렵기 때문이다.

 응용 분야 

 수소 저장 물질 연구 
중성자 회절은 수소와 같은 가벼운 원소에 특히 민감하므로 수소 검출에 사용될 수 있다. 이는 수소 저장 응용 분야에서 관심 있는 재료 부류인 금속 수소화물 내의 결정 구조와 수소 결합 위치를 결정하는 데 중요한 역할을 할 수 있다. 격자 내 수소 원자의 순서는 재료의 저장 용량과 동역학을 반영한다.

 자기 구조 결정 
중성자 회절은 중성자가 자기 모멘트와 상호 작용할 수 있으므로 재료의 자기 구조를 결정하는 데 유용한 기술이기도 하다. 중성자 회절을 사용하여 산화 망가니즈(MnO)의 반강자성 구조를 결정하는 데 사용될 수 있다. 중성자 회절 연구는 자기 모멘트를 측정하는 데 사용될 수 있다. 방향 연구는 중성자 회절이 재료의 자기 모멘트의 정확한 정렬을 어떻게 감지할 수 있는지 보여준다. 이는 엑스선으로는 훨씬 더 어렵다.

 강유전체에서 상전이 
중성자 회절은 온도나 압력에 따라 결정 구조의 변화를 보이는 강유전체를 포함한 재료의 상전이를 이해하는 데 널리 사용되어 왔다. 티탄산납(PbTiO3)의 강유전성 상전이를 연구하는 데 활용될 수 있다. 원자 변위 매개변수 및 해당 격자 왜곡을 분석하는 데 사용될 수 있다.

 공학 재료의 잔류 응력 분석 
중성자 회절은 금속 및 합금을 포함한 공학 재료의 잔류 응력을 비파괴적으로 평가하는 기술로 사용될 수 있다. 또한 공학 재료의 잔류 응력을 측정하는 데도 사용된다.

 리튬 이온 배터리 
중성자 회절은 리튬 원자가 엑스선 방사선에 거의 불투명하기 때문에 리튬 이온 배터리 재료 연구에 특히 유용하다. 충전 및 방전 주기 동안 리튬 이온 배터리 음극 재료의 구조적 진화를 조사하는 데 추가로 사용될 수 있다.

 고온 초전도체 
중성자 회절은 고온 초전도체에서 결정 및 자기 구조를 밝히는 데 중요한 역할을 해왔다. 고온 초전도체 YBa2Cu3O6+x의 자기 질서에 대한 중성자 회절 연구가 수행되었다. 전 세계의 이러한 과학 팀들의 연구는 자기 배열과 초전도 사이의 관계의 기원을 밝혀내고, 고온 초전도체 메커니즘에 대한 중요한 통찰력을 제공했다.

 합금의 기계적 거동 
중성자 회절의 발전은 하중 하에서 합금의 기계적 변형에 대한 현장 조사를 용이하게 하여 변형 메커니즘에 대한 관찰을 가능하게 했다. 기계적 하중 하에서 티타늄 합금의 변형 거동은 현장 중성자 회절을 사용하여 조사할 수 있다. 이 기술은 변형 전반에 걸쳐 격자 변형 및 상변태를 실시간으로 모니터링할 수 있다.섬네일|중성자 회절은 분자 시뮬레이션과 함께 사용되어 이온 채널의 전압 감지 도메인(중앙의 빨간색, 노란색, 파란색 분자)이 주변의 이중층 세포막(노란색 표면)을 교란하여 막이 약간 얇아지게 함을 밝혔다.

 이온 채널을 위한 중성자 회절 
중성자 회절은 이온 채널을 연구하는 데 사용될 수 있으며, 중성자가 생물학적 구조와 상호 작용하여 원자 세부 사항을 밝히는 방법을 강조한다. 중성자 회절은 수소와 같은 가벼운 원소에 특히 민감하여 채널 내의 물 분자, 이온 위치 및 수소 결합을 매핑하는 데 이상적이다. 중성자 산란 패턴을 분석함으로써 연구자들은 이온 수송 및 선택성에 필수적인 이온 결합 부위, 수화 구조 및 형태 변화를 결정할 수 있다.

 중성자 회절의 현재 발전상 

 중성자 회절 연구의 발전 
중성자 회절은 특히 오크리지 국립연구소(ORNL)에서 상당한 진전을 이루었는데, 이 연구소는 파쇄 중성자원(SNS)에 7개, 고플럭스 동위원소 원자로(HFIR)에 5개 등 12개의 회절계 세트를 운영하고 있다. 이 장비들은 다양한 응용 분야를 위해 설계되었으며, 분말 회절, 단결정 회절, 첨단 회절 기술의 세 가지 범주로 나뉜다.

중성자 회절 연구를 더욱 강화하기 위해 ORNL은 몇 가지 주요 프로젝트를 수행하고 있다.
 SNS 제1표적 스테이션 확장: 최첨단 장비를 갖춘 새로운 빔라인이 설치되어 과학 연구의 범위를 넓히고 있다.
 양성자 전력 업그레이드: 이 이니셔티브는 중성자 생산에 사용되는 양성자 전력을 두 배로 늘려 연구 효율성을 높이고, 더 작고 복잡한 시료 연구를 가능하게 하며, SNS에서 차세대 중성자원 개발을 지원하는 것을 목표로 한다.
 SNS 제2표적 스테이션 개발: 22개의 빔라인을 수용할 새로운 시설이 건설 중이며, 이는 소프트 물질, 생물학적 시스템 및 양자 재료 연구에 중요한 냉중성자 연구의 선도적인 원천이 될 것이다.
 HFIR 개선: 계획된 업그레이드에는 실험 기능을 개선하기 위한 냉중성자 가이드 홀 최적화, 우주 탐사를 위한 플루토늄-238을 포함한 동위 원소 생산 확대, 기존 장비 성능 향상이 포함된다.

이러한 발전은 중성자 회절 기술을 크게 향상시켜 재료 구조에 대한 더 정밀하고 상세한 분석을 가능하게 할 것이다. 연구 역량을 확대하고 중성자 생산 효율성을 높임으로써 이러한 발전은 재료 과학에서 에너지 연구 및 양자 물리학에 이르는 광범위한 과학 분야를 지원할 것이다.

 중성자 산란 정보 기술의 현대적 동향 
중성자 회절 기술은 빔 강도 및 장비 효율성 개선에 중점을 두고 빠르게 발전하고 있다. 현대 장비는 더 작고 강력한 빔을 생성하도록 설계되어 더 작은 시료에 대한 고정밀 연구를 가능하게 하며, 이는 신소재 연구에 특히 유용하다. 헬륨-3을 대체할 붕소 기반의 첨단 검출기가 재료 부족 문제를 해결하기 위해 개발되고 있으며, 중성자 스핀 조작 개선은 자기 및 구조적 특성 연구를 향상시킨다. 시뮬레이션 및 가상 장비를 포함한 전산 발전은 중성자원을 최적화하고 실험 설계를 간소화하며 데이터 분석을 위한 기계 학습을 통합하고 있다. 다중화 및 이벤트 기반 획득 시스템은 여러 데이터 세트를 동시에 캡처하여 데이터 수집을 향상시키고 있다. 또한 유럽 파쇄 중성자원(ESS) 및 오크리지의 제2표적 스테이션(STS)과 같은 차세대 파쇄 중성자원은 중성자 생산 효율성을 높이고 있다. 마지막으로 원격 제어 실험 및 자동화의 증가는 중성자 회절 연구의 접근성과 정밀도를 향상시키고 있다.

 구조 생물학의 현재 동향 
중성자 회절의 현대적 발전은 데이터 정밀도를 높이고, 구조 연구 응용 분야를 확장하며, 실험 방법론을 개선하고 있다. 핵심적인 초점은 생물학적 고분자 내 수소 원자의 시각화를 개선하는 것으로, 이는 효소 활성 및 수소 결합 연구에 매우 중요하다. 전문 회절계의 확장은 구조 생물학 분야의 접근성을 높였으며, 단색, 준-라우에(quasi-Laue), 비행 시간 방법과 같은 기술은 효율성을 위해 최적화되고 있다. 특히 단백질 중수소화와 같은 시료 준비의 혁신은 배경 잡음을 최소화하고 큰 결정의 필요성을 줄이고 있다. 또한, 양자 화학 모델링을 포함한 인공 지능을 위한 계산 도구는 복잡한 분자 상호 작용의 해석을 돕고 있다. 파쇄 시설과 같은 향상된 중성자원과 첨단 검출기는 측정 정확도와 구조 해상도를 더욱 높이고 있다. 이러한 발전은 중성자 회절을 생물학적 시스템의 분자 구조를 탐구하는 데 중요한 기술로 확고히 하고 있다.

 같이 보기 
 결정학
 결정학 데이터베이스
 전자 회절
 미끄럼 입사 회절
 비탄성 중성자 산란
 엑스선 회절 컴퓨터 단층 촬영

 각주 

 더 읽어보기 





 외부 링크 
 미국 국립 표준 기술 연구소 중성자 연구 센터
 브래그 법칙에서 중성자 회절까지
 중성자 산란 및 뮤온 분광학 통합 인프라 이니셔티브 (NMI3) - 중성자 산란 및 뮤온 분광학 분야의 모든 주요 시설을 포함한 12개국 18개 파트너 조직으로 구성된 유럽 컨소시엄
 프랭크 중성자 물리학 연구실  (JINR)
 IAEA 중성자 빔 장비 데이터베이스

분류:회절