Short-range order in disordered phases using neutron diffraction

Abstract

Neutron diffraction is a powerful technique that allows to probe the structure of disordered phases across a variety of length scales. However, due to the inherent complexity of these disordered hases, the analysis of the information contained in the experimental data is not obvious. In this work, a few alternative methods are presented that allow to make the most of the neutron diffraction measurements as well as the molecular configurations obtained from molecular dynamics simulations or data modelling. They mainly consist in a Bayesian approach to fit the molecular structures measured with neutron diffraction, and a multidimensional analysis of the molecular structure probability distribution functions obtained from simulations or data modelling techniques, instead of the standard averaging over many variables. These methodologies are then applied to the structural investigation of several disordered systems in order to answer a series of open questions: the origin of the liquid-liquid transition in trans-1,2-dichloroethene (C2Cl2H2), the extreme fragility of 1,1,2,2-tetrachloro-1,2-difluoroethane's orientational glass (F-112, C2Cl4F2), the local density paradox in carbon tetrachloride (CCl4), and the roles of steric and electrostatic interactions in the short range order of the liquids of quasitetrahedral molecules, particularly trichlorobromomethane (CBrCl3) and dibromodichloromethane (CBr2Cl2). Additionally, a concise summary of the theoretical framework for neutron diffraction of disordered systems, as well as the practicalities of the experimental setup and the necessary data treatment, are also included to provide interested researchers with a self-contained overview on the topic.

La difracció de neutrons és una tècnica molt potent que permet sondar l'estructura de fases desordenades en un ventall d'escales de longitud. Tanmateix, degut a la complexitat inherent d'aquestes fases desordenades, l'anàlisi de la informació que es desprèn de les dades experimentals no és evident. En aquest treball es presenten diversos mètodes alternatius que permeten treure el màxim profit de les mesures de difracció de neutrons, així com de les configuracions moleculars obtingudes en simulacions de dinàmica molecular o del modelatge de les dades. Aquests mètodes consisteixen principalment en un enfocament bayesià en l'ajust de les estructures moleculars mesurades amb difracció de neutrons, i en una anàlisi multidimensional de les funcions de distribució de probabilitat de l'estructura molecular obtingudes en simulacions o tècniques de modelatge de dades, en comptes del mitjanat de diverses variables estàndard. Aquestes metodologies s'apliquen a la investigació de diversos sistemes desordenats per tal de resoldre una sèrie de qüestions obertes: l'origen de la transició líquid-líquid en el trans-1,2-dicloroetà (C2Cl2H2), l'extrema fragilitat del vidre orientacional del 1,1,2,2-tetracloro-1,2-difluoroetà (F-112, C2Cl4F2), la paradoxa de la densitat local en el tetraclorur de carboni (CCl4), i els rols de les interaccions estèrica i electrostàtica en l'ordre de curt abast de líquids de molècules quasitetraèdriques, en particular el triclorobromometà (CBrCl3) i el dibromodiclorometà (CBr2Cl2). Addicionalment, també s'hi inclou un breu repàs del marc teòric de la difracció de neutrons en sistemes desordenats, així com dels aspectes pràctics de l'equip experimental i del tractament de dades necessari, per tal que els investigadors interessats disposin d'una visió general completa sobre tema.