Laboratoire Léon Brillouin

UMR12 CEA-CNRS, Bât. 563 CEA Saclay

91191 Gif sur Yvette Cedex, France

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BD diffusons les neutrons

Faits marquants scientifiques 2022

27 février 2022

L'objectif visé dans la construction de la réalisation de sources compactes de neutrons à base d’accélérateurs à fort courant est de permettre de réaliser, sur ces sources, des expériences de diffusion de neutrons, avec pratiquement la même qualité que celles réalisées auprès des lignes neutrons issues de réacteurs de recherche de type Orphée*.

Ces sources sont réalisées à partir d'un faisceau de protons de moyenne énergie (3-50 MeV) et haut courant (~ 100 mA) frappant une cible d’un matériau léger comme le béryllium, qui émet alors des neutrons. Pour être utilisable de manière routinière, la cible doit pouvoir résister sur de longues durées à une forte irradiation sans perte de performance.

Les équipes du LLB et de l'IRFU réunies ont réalisé une cible béryllium implantée en sortie de l'injecteur de protons à haute intensité - IPHI (3 MeV) à Saclay. Ils montrent qu'avec ce dispositif il est possible d'obtenir l'intensité de neutrons nécessaire pour réaliser une expérience de diffraction dans un temps raisonnable, démontrant la compétitivité d'une telle source pour la diffusion de neutrons par rapport aux réacteurs nucléaires actuels de petite et moyenne puissance.

*Ancien réacteur de recherche de Saclay, aujourd'hui fermé.

22 juillet 2022

Fabrizia Foglia, Quentin Berrod, Adam J. Clancy, Keenan Smith, Gérard Gebel, Victoria García Sakai, Markus Appel, Jean-Marc Zanotti, Madhusudan Tyagi, Najet Mahmoudi, Thomas S. Miller, John R. Varcoe, Arun Prakash Periasamy, Daniel J. L. Brett, Paul R. Shearing, Sandrine Lyonnard and Paul F. McMillan

Semipermeable polymeric anion exchange membranes are essential for separation, filtration and energy conversion technologies including reverse electrodialysis systems that produce energy from salinity gradients, fuel cells to generate electrical power from the electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and water electrolyser systems that provide H2 fuel. Anion exchange membrane fuel cells and anion exchange membrane water electrolysers rely on the membrane to transport OH− ions between the cathode and anode in a process that involves cooperative interactions with H2O molecules and polymer dynamics. Understanding and controlling the interactions between the relaxation and diffusional processes pose a main scientific and critical membrane design challenge. Here quasi-elastic neutron scattering is applied over a wide range of timescales (100–103 ps) to disentangle the water, polymer relaxation and OH− diffusional dynamics in commercially available anion exchange membranes (Fumatech FAD-55) designed for selective anion transport across different technology platforms, using the concept of serial decoupling of relaxation and diffusional processes to analyse the data. Preliminary data are also reported for a laboratory-prepared anion exchange membrane especially designed for fuel cell applications.

https://doi.org/10.1038/s41563-022-01197-2

01 juillet 2022

Tiago Outerelo Corvo, Antoine Jourdain, Shona O’Brien, Frédéric Restagno, Eric Drockenmuller, and Alexis Chennevière

Poly(ionic liquid)s (PILs), similar to their ionic liquid (IL) analogues, present a nanostructure arising from local interactions. The influence of this nanostructure on the macromolecular conformation of polymer chains is investigated for the first time by means of an extensive use of small-angle neutron scattering on a series of poly(1-vinyl-3-alkylimidazolium)s with varying alkyl side-chain length and counter-anion, both in bulk and in dilute solutions. Radii of gyration are found to increase with the side-chain length in solution as a consequence of crowding interactions between neighboring monomers. In bulk, however, a nonmonotonic evolution of the radius of gyration reflects a change in chain flexibility and a potential screening of electrostatic interactions. Additionally, at a smaller scale, SANS provides an experimental estimation of both the chain diameter and the correlation length between neighboring chains, comparison of which unveils clear evidence of interdigitation of the alkyl side chains. These structural features bring precious insights into the understanding of the dynamic properties of PILs.

https://doi.org/10.1021/acs.macromol.2c00290

02 juin 2022

Marion Grzelka, Iurii Antoniuk, Éric Drockenmuller, Alexis Chennevière, Liliane Léger, and Frédéric Restagno

The role of the polymer volume fraction, ϕ, on steady-state slippage and interfacial friction is investigated for semi-dilute polystyrene solutions in diethyl phthalate in contact with two solid surfaces. Significant slippage is evidenced for all samples, with slip lengths b obeying a power law dependence. Navier’s interfacial friction coefficient, k, is deduced from the slip length measurements and from independent measurements of the solution viscosity η. The observed scaling of k versus ϕ clearly excludes a molecular mechanism of friction based on the existence of a depletion layer. Instead, we show that the data of η(ϕ) and k(ϕ) are understood when taking into account the dependence of the solvent friction on ϕ. Two models based on the friction of blobs or of monomers on the solid surface well describe our data. Both point out that Navier’s interfacial friction is a semi-local phenomenon.

https://doi.org/10.1021/acs.macromol.0c02804

11 mai 2022

Du fait même de sa structure moléculaire, l'eau présente un très grand nombre d’anomalies physico-chimiques par rapport à un liquide ordinaire avec un diagramme de phases complexe.  On peut par exemple mettre le liquide en surfusion jusqu’à 235 K (-38°c) à pression atmosphérique, mais sa cristallisation reste inévitable, entrainant une expansion du volume à l'origine de multiples problèmes. 

Par l'ajout de glycérol, il est possible de préserver l'état liquide à des températures bien plus basses et d'en observer les propriétés structurales en ralentissant considérablement la cinétique de cristallisation. Au-delà de l'intérêt fondamental sur la compréhension de la dynamique de l'eau surfondue, ce type d'étude présente un grand intérêt pour les applications en cryo-préservation biologique et contribuer à en définir les meilleures conditions thermodynamiques de mise en œuvre.

Les expériences réalisées, notamment par diffusion de neutrons polarisés avec la possibilité de distinguer les diverses contributions moléculaires, montrent que même au sein la phase vitreuse d’une solution eau-glycérol, l’eau pure finit par cristalliser.  La description approfondie des phases obtenues permet ensuite d'infirmer un modèle théorique largement cité de l’eau, proposant l'existence d'une nouvelle phase à basse température, composée de 2 liquides de densité différente, associée à un nouveau point critique.

 

21 avril 2022

Sumit Mehan, Laure Herrmann, Jean-Paul Chapel, Jacques Jestin, Jean-Francois Berret and Fabrice Cousin

We investigate the formation/re-dissociation mechanisms of hybrid complexes made from negatively charged PAA2k coated g-Fe2O3 nanoparticles (NP) and positively charged polycations (PDADMAC) in aqueous solution in the regime of very high ionic strength (I). When the building blocks are mixed at large ionic strength (1 M NH4Cl), the electrostatic interaction is screened and complexation does not occur. If the ionic strength is then lowered down to a targeted ionic strength Itarget, there is a critical threshold Ic = 0.62 M at which complexation occurs, that is independent of the charge ratio Z and the pathway used to reduce salinity (drop-by-drop mixing or fast mixing). If salt is added back up to 1 M, the transition is not reversible and persistent out-of-equilibrium aggregates are formed. The lifetimes of such aggregates depends on Itarget: the closer Itarget to Ic is, the more difficult it is to dissolve the aggregates. Such peculiar behavior is driven by the inner structure of the complexes that are formed after desalting. When Itarget is far below Ic, strong electrostatic interactions induce the formation of dense, compact and frozen aggregates. Such aggregates can only poorly reorganize further on with time, which makes their dissolution upon resalting almost reversible. Conversely, when Itarget is close to Ic more open aggregates are formed due to weaker electrostatic interactions upon desalting. The system can thus rearrange with time to lower its free energy and reach more stable out-of-equilibrium states which are very difficult to dissociate back upon resalting, even at very high ionic strength.

Contact LLB : Fabrice Cousin (LLB/MMB)

 


"The desalting/salting pathway: a route to form metastable aggregates with tuneable morphologies and lifetimes"
S.Mehan, L. Herrmann, J.-P. Chapel, J. Jestin, J.-F. Berret and  F. Cousin, Soft Matter 17 (2021) 8496-8505.

23 mars 2022

Christiane Alba-Simionesco , Patrick Judeinstein , Stéphane Longeville, Oriana Osta , Florence Porcher , Frédéric Caupin , and Gilles Tarjus

The proneness of water to crystallize is a major obstacle to understanding its putative exotic behavior in the supercooled state. It also represents a strong practical limitation to cryopreservation of biological systems. Adding some concentration of glycerol, which has a cryoprotective effect preventing, to some degree, water crystallization, has been proposed as a possible way out, provided the concentration is small enough for water to retain some of its bulk character and/or for limiting the damage caused by glycerol on living organisms. Contrary to previous expectations, we show that, in the “marginal” glycerol molar concentration ≈ 18%, at which vitrification is possible with no crystallization on rapid cooling, water crystallizes upon isothermal annealing even below the calorimetric glass transition of the solution. Through a time-resolved polarized neutron scattering investigation, we extract key parameters, size and shape of the ice crystallites, fraction of water that crystallizes, and crystallization time, which are important for cryoprotection, as a function of the annealing temperature. We also characterize the nature of the out-of-equilibrium liquid phases that are present at low temperature, providing more arguments against the presence of an isocompositional liquid–liquid transition. Finally, we propose a rule of thumb to estimate the lower temperature limit belowwhich water crystallization does not occur in aqueous solutions.

https://doi.org/10.1073/pnas.2112248119

22 février 2022

J.C.Riedl, M.Sarkar, T.Fiuza, F.Cousin, J.Depeyrot, E.Dubois,G.Mériguet,R.Perzynski and V.Peyre

Some of the most promising fields of application of ionic liquid-based colloids imply elevated temperatures. Their careful design and analysis is therefore essential. We assume that tuning the structure of the nanoparticle-ionic liquid interface through its composition can ensure colloidal stability for a wide temperature range, from room temperature up to 200 °C.

https://doi.org/10.1016/j.jcis.2021.08.017

 

11 août 2022

E. Kume and L. Noirez

We show that a confned viscous liquid emits a dynamic thermal response upon applying a low frequency (∼1 Hz) shear excitation. Hot and cold thermal waves are observed in situ at atmospheric pressure and room temperature, in a viscous liquid (polypropylene glycol) at various thicknesses ranging from 100 µm up to 340 µm, upon applying a mechanical oscillatory shear strain. The observed thermal efects, synchronous with the mechanical excitation, are inconsistent with a viscous behaviour. It indicates that mesoscopic liquids are able to (partly) convert mechanical shear energy in non-equilibrium thermodynamic states. This efect called thermo-elasticity is well known in solid materials. The observation of a thermal coupling to the mechanical shear deformation reinforces the assumption of elastically correlated liquid molecules. The amplitude of the thermo-elastic waves increases linearly by increasing the shear strain amplitude up to a transition to a non-linear thermal behavior, similar to a transition from an elastic to plastic regime. The thermo-elastic efects do not give rise to any change in stress measurements and thus the dynamic thermal analysis provides unique information about dynamic liquid properties.
 

https://doi.org/10.1515/jnet-2021-0091

24 mai 2022

Une expérience proposée par des chercheurs de l'Université de l’Académie des sciences chinoise de Pékin en collaboration avec le CEA/Irig/D-Phy/MEM et le LLB révèle que les fluctuations du spin dans un supraconducteur à base de fer ont une direction privilégiée, ce qui suggère un mécanisme potentiel pour la supraconductivité dans ces matériaux.

 

27 février 2022

L'objectif visé dans la construction de la réalisation de sources compactes de neutrons à base d’accélérateurs à fort courant est de permettre de réaliser, sur ces sources, des expériences de diffusion de neutrons, avec pratiquement la même qualité que celles réalisées auprès des lignes neutrons issues de réacteurs de recherche de type Orphée*.

Ces sources sont réalisées à partir d'un faisceau de protons de moyenne énergie (3-50 MeV) et haut courant (~ 100 mA) frappant une cible d’un matériau léger comme le béryllium, qui émet alors des neutrons. Pour être utilisable de manière routinière, la cible doit pouvoir résister sur de longues durées à une forte irradiation sans perte de performance.

Les équipes du LLB et de l'IRFU réunies ont réalisé une cible béryllium implantée en sortie de l'injecteur de protons à haute intensité - IPHI (3 MeV) à Saclay. Ils montrent qu'avec ce dispositif il est possible d'obtenir l'intensité de neutrons nécessaire pour réaliser une expérience de diffraction dans un temps raisonnable, démontrant la compétitivité d'une telle source pour la diffusion de neutrons par rapport aux réacteurs nucléaires actuels de petite et moyenne puissance.

*Ancien réacteur de recherche de Saclay, aujourd'hui fermé.

08 février 2022

Les aimants mono-moléculaires suscitent une attention scientifique croissante et ceci depuis trois décennies. Ils diffèrent des aimants métalliques conventionnels par le fait que l'ordre magnétique ne résulte pas d'un ordre à longue distance, mais de la capacité d'alignement de chaque molécule individuelle. L'un des principaux défis dans ce domaine réside dans le contrôle structurel de l'anisotropie magnétique moléculaire qui doit être uni-axiale. Dans cette optique, la technique de diffraction de neutrons polarisés (DNP) développée au laboratoire Léon Brillouin (LLB) offre la possibilité unique de mesurer l’amplitude du moment magnétique et la direction des principaux axes d'anisotropie magnétique d’un ion magnétique par rapport à l'orientation des molécules.

Dans le but d’améliorer les caractéristiques des aimants mono-moléculaires, deux nouveaux complexes iso-structuraux à base de Dy3+ et Ho3+ ont été synthétisés. Ils présentent une forte anisotropie magnétique, avec des barrières de relaxation magnétique respective de 600 K et 270 K. Les mesures réalisées au LLB fournissent la première preuve expérimentale que le composé Dy a une anisotropie magnétique quasi-uniaxiale avec une contribution transverse nulle, alors qu'elle est significative pour le composé Ho, ce qui peut être attribué à l'interaction moins favorable du champ cristallin avec la distribution de charge de l’ion Ho.

 

01 février 2022

Emil A. Klahn, Andreas M. Thiel, Rasmus B. Degn, Iurii Kibalin, Arsen Gukassov, Claire Wilson, Angelos B. Canaj, Mark Murrie and Jacob Overgaard

We present the magnetic anisotropy of two isostructural pentagonal-bipyramidal complexes, [Ln(H2O)5(HMPA)2]I3·2HMPA (HMPA = hexamethylphosphoramide, Ln = Dy, Ho). Using ac magnetic susceptibility measurements, we find magnetic relaxation barriers of 600 K and 270 K for the Dy- and Ho-compounds, respectively. This difference is supported by polarized neutron diffraction (PND) measured at 5 K and 1 T which provides the first experimental evidence that the transverse elements in the magnetic anisotropy of the Ho-analogue are significant, whereas the Dy-analogue has a near-axial magnetic anisotropy with vanishing transverse contributions. The coordination geometries of the two complexes are highly similar, and we attribute the loss of strong magnetic axiality as expressed in the atomic susceptibility tensors from PND, as well as the smaller relaxation barrier in the Ho-complex compared to the Dy-complex, to the less favorable interaction of the pentagonal bipyramidal crystal field with the characteristics of the Ho(III) 4f-charge distribution.

https://doi.org/10.1039/d1dt01959g

11 janvier 2022

Philipp Kurzhals, Geoffroy Kremer, Thomas Jaouen, Christopher W. Nicholson, Rolf Heid, Peter Nagel, John-Paul Castellan, Alexandre Ivanov, Matthias Muntwiler, Maxime Rumo, Bjoern Salzmann, Vladimir N. Strocov, Dmitry Reznik, Claude Monney & Frank Weber

Electron-phonon coupling, i.e., the scattering of lattice vibrations by electrons and vice versa, is ubiquitous in solids and can lead to emergent ground states such as superconductivity and charge-density wave order. A broad spectral phonon line shape is often interpreted as a marker of strong electron-phonon coupling associated with Fermi surface nesting, i.e., parallel sections of the Fermi surface connected by the phonon momentum. Alternatively broad phonons are known to arise from strong atomic lattice anharmonicity. Here, we show that strong phonon broadening can occur in the absence of both Fermi surface nesting and lattice anharmonicity, if electron-phonon coupling is strongly enhanced for specific values of electron-momentum, k. We use inelastic neutron scattering, soft x-ray angle-resolved photoemission spectroscopy measurements and ab-initio lattice dynamical and electronic band structure calculations to demonstrate this scenario in the highly anisotropic tetragonal electron-phonon superconductor YNi2B2C. This new scenario likely applies to a wide range of compounds.

https://dx.doi.org/10.1038/s41467-021-27843-y

 


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