Serakan neutron sudut kecil

Serakan neutron sudut kecil (small-angle neutron scattering, SANS) ialah kaedah eksperimen yang menggunakan serakan neutron elastik pada sudut serakan yang kecil untuk mengkaji struktur pelbagai bahan pada skala mesoskopik antara 1 hingga 100 nm.

Dalam pelbagai segi, serakan neutron sudut kecil adalah sama dengan serakan sinar-X sudut kecil (SAXS); gabungan kedua-dua kaedah ini dinamakan serakan sudut kecil (SAS). Kelebihan SANS berbanding SAXS ialah kesensitifannya terhadap unsur-unsur ringan, kemampuannya mengenalpasti jenis-jenis isotop dan, disebabkan momen magnet, serakan neutron adalah lebih kuat.

Teknik
Dalam eksperimen SANS, satu alur sinaran neutron dihalakan pada satu sampel. Sampel ini boleh jadi satu larutan akua, pepejal, serbuk atau kristal. Neutron-neutron yang dipancarkan ini diserakkan secara elastik oleh interaksi nuklear dengan nukleus atau interaksi dengan momentum magnet elektron-elektron yang tidak berpasangan. Dalam serakan sinar-X, foton-foton berinteraksi dengan awan elektrik maka unsur yang lebih besar memberi kesan yang lebih besar, tetapi dalam serakan neutron, neutron berinteraksi dengan nukleus dan interaksi yang terjadi bergantung kepada isotop dan beberapa unsur ringan seperti deuterium mempamerkan keratan rentas serakan yang serupa dengan unsur-unsur yang lebih berat seperti plumbum.

Dalam teori dinamikal serakan tertib sifar, indeks serakan berkait secara terus dengan ketumpatan panjang serakan dan indeks ini adalah ukuran kekuatan interaksi gelombang neutron dengan nukleus tertentu. Jadual berikut menunjukkan panjang serakan bagi beberapa unsur (dalam unit 10-12 cm).

Perhatikan bahawa saiz relatif panjang-panjang serakan ini adalah sama. Perhatikan juga bahawa serakan daripada hidrogen jelas berbeza daripada deuterium. Tambahan lagi, hidrogen adalah salah satu daripada beberapa unsur yang mempunyai serakan negatif, bermaksud neutron yang dipantulkan oleh hidrogen adalah tidak selaras daripada unsur-unsur lain sebanyak 180°. Ciri-ciri ini penting bagi teknik variasi kontras (lihat bawah).

Teknik berkaitan
SANS biasanya menggunakan pengkolimatan alur sinaran neutron untuk menentukan sudut serakan neutron, yang menghasilkan nisbah signal-ke-hingar yang lebih rendah bagi data yang mengandungi maklumat tentang sifat-sifat sampel dengan skala saiz yang agak besar, melebihi ~1 μm. Bagi mengatasi hal ini, kaedah yang biasanya digunakan ialah dengan meningkatkan kecerahan sumber, seperti dalam kaedah serakan neutron sudut ultra kecil (USANS). Alternatif yang diperkenalkan bagi penyelesaian ini ialah kaedah serakan neutron sudut kecil gema spin (SESANS) yang menggunakan gema spin neutron untuk mengesan sudut serakan, serta mengembangkan julat skala saiz yang boleh dikaji oleh serakan neutron kepada lebih 10 μm.

Serakan sudut kecil insidens geser (GISANS) menggunakan konsep SANS dan reflektometri.

SANS dalam biologi

Ciri penting SANS yang membuatkannya berguna dalam sains biologi ialah sifat istimewa hidrogen, terutamanya jika dibandingkan dengan deuterium. Dalam sistem-sistem biologi, hidrogen boleh digantikan dengan deuterium yang biasanya menyebabkan perubahan yang kecil pada sampel tetapi membawa kesan dramatik pada serakan.

Kaedah variasi kontras (atau padanan kontras) bergantung kepada kebezaan serakan hidrogen berbanding deuterium. Rajah 1 menunjukkan ketumpatan panjang serakan bagi air dan beberapa makromolekul biologi sebagai fungsi kepekatan deuterium (diadaptasi daripada ). Sampel-sampel biologi biasanya dilarutkan dalam air, maka hidrogen dalam molekul sampel tersebut boleh ditukarkan dengan deuterium yang terdapat dalam pelarut. Oleh sebab serakan keseluruhan sesuatu molekul bergantung kepada serakan setiap komponennya, ia akan bergantung kepada nisbah hidrogen kepada deuterium dalam molekul. Pada nisbah H2O dan D2O tertentu, yang dinamakan titik padanan, serakan daripada molekul akan sama dengan serakan daripada pelarut, maka ia boleh disingkirkan apabila serakan daripada penimbal ditolak daripada data. Misalnya, titik padanan bagi protin biasanya ialah 40-45% D2O, dan pada kepekatan ini serakan daripada protin tidak dapat dibezakan daripada serakan daripada penimbal.

Untuk menggunakan variasi kontras, komponen-komponen berbeza sesuatu sistem perlu diserak secara berlainan. Ini boleh didasarkan pada perbezaan serakan bawaan seperti perbezaan antara serakan DNA dan protin, atau muncul daripada komponen-komponen yang dilabel berbeza, misalnya dengan mendeuteriumkan satu protin dalam satu kompleks dan membiarkan protin lain dalam kompleks tersebut berproton. Untuk pemodelan, data serakan neutron dan sinar-X sudut kecil boleh digabungkan dengan program MONSA. Satu contoh di mana data SAXS, SANS dan EM telah digunakan untuk membentuk model atom enzim multi-subunit besar telah diterbitkan pada 2012. Untuk beberapa contoh kaedah ini lihat .

Instrumen
Terdapat banyak instrumen SANS di seluruh dunia di fasiliti-fasiliti neutron seperti reaktor kajian atau sumber perkecaian. Di Malaysia, Reaktor Triga Puspati (RTP) milik Agensi Nuklear Malaysia adalah satu-satunya reaktor nuklear kajian di negara tersbut, dan ia mampu melakukan eksperimen SANS dan beberapa eksperimen lain.

Lihat juga
 Mikroskop neutron

Rujukan

Buku teks
 Fejgin, Lev A.: Structure analysis by small-angle X-ray and neutron scattering. New York: Plenum (1987).
 Higgins, Julia S.; Benoît, Henri: Polymers and neutron scattering. Oxford: Clarendon Press (1994?).

Pautan luar
 Portal Serakan Sudut Kecil
 Direktori instrumen SANS di seluruh dunia
 B. Hammouda: Probing Nanoscale Structures - The SANS Toolbox (690 halaman)

Serakan sudut kecil
Serakan neutron