Name: Metody badań przemian strukturalnych ex situ i in situ: przypadek krystalizacji szkieł metalicznych (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-06-07T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 55 s
Description: Poznaj metody badania przemian strukturalnych w szkłach metalicznych przy użyciu spektroskopii Mössbauera i rozpraszania synchrotronowego. Techniki te pozwalają analizować zmiany strukturalne i magnetyczne w czasie rzeczywistym.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

playerTrialDesktop

Ta praca była wspierana przez Słowacką Agencję Badań i Rozwoju w ramach umowy nr. APVV-16-0079 i APVV-15-0621, granty VEGA 1/0182/16 i VEGA 2/0082/17 oraz wewnętrzny grant IGA Uniwersytetu Palackiego (IGA_PrF_2018_002). Jesteśmy wdzięczni R. Rüfferowi (ESRF, Grenoble) za pomoc w eksperymentach synchrotronowych.

1. Przygotowanie MG
UWAGA: Aby zademonstrować szeroki zakres możliwości diagnostycznych NFS w połączeniu ze spektrometrią Mössbauera, zaprojektowano odpowiedni skład MG, a mianowicie (Fe3Co1)76Mo8Cu1B15 (at.%). Układ ten pokazuje przejście magnetyczne ze stanu ferromagnetycznego do paramagnetycznego poniżej początku krystalizacji. Ponadto krystality, które pojawiają się na pierwszym etapie krystalizacji, tworzą fazę bcc-Fe,Co. Ponieważ kobalt zastępuje żelazo w niektórych pozycjach atomowych sieci bcc, występują odchylenia w odpowiednich oddziaływaniach nadsubtelnych.
<ol>
	<li>Przygotowanie topu 
	UWAGA: Spektrometria Mössbauera i NFS skanują lokalne układy atomowe poprzez oddziaływania nadsubtelne 57jąder Fe, które są obecne w badanych próbkach. Naturalna obfitość tego stabilnego nuklidu wśród wszystkich izotopów Fe wynosi jednak tylko 2,19%. Aby skrócić czas akwizycji w eksperymentach NFS in situ, względną zawartość izotopu 57Fe należy zwiększyć do około 50%.
	<ol>
		<li>Wziąć tygiel ze szkła kwarcowego (kształt cylindryczny o średnicy 15 mm), przykryć jego wewnętrzne ścianki azotkiem boru, aby uniknąć możliwego zanieczyszczenia zawartości przez Si ze ścianek, i włożyć do tego tygla 0,4050 g wysoko wzbogaconego 57Fe (~ 95%) i 0,5267 g standardowego czystego żelaza elektrolitycznego (czystość 99,95%). Całkowita masa mieszaniny wynosi 0,9317 g i zapewnia wzbogacenie izotopowe o ok. 50% 57Fe. 
		UWAGA: Ze względu na wysoką cenę stabilnego izotopu 57Fe, zoptymalizuj jego ilość do najniższej możliwej masy. Około 500 mg 57Fe powinno wystarczyć, aby zapewnić całkowitą masę stopionego materiału na poziomie około 1,5 g. Jest to dolna granica technologiczna sprzętu do przygotowania.</li>
		<li>Do tego samego tygla ze szkła kwarcowego dodać 0,3245 g elektrolitycznego Co (99,85%), 0,0184 g Cu (99,8%), 0,2222 g Mo (99,95%) i 0,0470 g krystalicznego B (99,95%). Całkowita masa mieszaniny wynosi 1,5438 g, a zamierzony skład proszku to (Fe3Co1) 76Mo8Cu1B15.</li>
		<li>Otrzymaną mieszaninę standardowych materiałów elektrolitycznych rozpuść przez ogrzewanie indukcyjne w tyglu ze szkła kwarcowego w ochronnej atmosferze argonu (4N8), aby uniknąć utleniania, i użyj pola o częstotliwości radiowej 90-120 kHz. 
		UWAGA: Pole o częstotliwości radiowej zapewnia mieszanie poszczególnych składników w tyglu. Ich mieszanie przebiega dalej za pomocą prądów wirowych, gdy tworzy się stopiony. Odczekaj wystarczająco dużo czasu, aby stopić mieszaninę proszku i utworzyć płyn. Oględziny są wystarczające, nie ma potrzeby mierzenia temperatury powstałej cieczy.</li>
		<li>Usunąć uzyskaną małą sztabkę z tygla. Sprawdź wzrokowo występowanie śladów plam żużla na jego powierzchni. Jeśli są obecne, usuń je przez polerowanie mechaniczne.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przygotowanie próbki w kształcie wstęgi
	<ol>
		<li>Użyj aparatu do odlewania płaskiego przepływu. Przykład takiego urządzenia pokazany jest w Rysunek 1. 
		UWAGA: Stopiony materiał wewnątrz rurki kwarcowej jest wyrzucany przez przepływ Ar na koło hartownicze, które obraca się w powietrzu. Dla takiego składu stopu nie ma potrzeby stosowania specjalnych warunków atmosferycznych, w których pracuje koło hartownicze (np. próżnia lub środowisko gazu obojętnego).</li>
		<li>Ze względu na niewielką wagę sztabki (~1,5 g) należy wybrać rurkę kwarcową z dyszą z okrągłym otworem o średnicy 0,8 mm. Włóż sztabkę do środka i rozpuść ją za pomocą ogrzewania indukcyjnego. Utrzymać temperaturę stopu na poziomie 1,280–1,295 °C.</li>
		<li>Dostosuj prędkość powierzchniową koła chłodzącego do 40 m/s.</li>
		<li>Odlewać stopiony materiał na obracającą się ściernicę hartowniczą w warunkach otoczenia, tj. w powietrzu. 
		UWAGA: Powstała wstęga ma około 1,5-2 mm szerokości, 25-27 μm grubości i 5 m długości. Strona powietrzna taśmy, która podczas produkcji została wystawiona na działanie otaczającej atmosfery powietrza, jest optycznie błyszcząca (błyszcząca), podczas gdy przeciwna strona koła, która miała bezpośredni kontakt z kołem hartującym, jest matowa (matowa). Te subtelne właściwości wstęgi wynikają z niskiej masy stopu. W związku z tym tak ważna jest weryfikacja końcowego składu chemicznego wyprodukowanej w postaci hartowanej wstęgi ze względu na niskie masy wsadowe poszczególnych pierwiastków.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Weryfikacja końcowego składu chemicznego wstęgi
	<ol>
		<li>Przygotuj kilka (do pięciu) krótkich kawałków wstążki, z których każdy ma masę około 0,70 mg. Wybierz je z różnych części wyprodukowanej wstążki wzdłuż jej długości.</li>
		<li>Rozpuść każdy kawałek wstęgi w 1 ml stężonego (67%) kwasuHNO3 i napełnij wodą, aż osiągniesz 50 ml całkowitej objętości roztworu.</li>
		<li>Oznaczyć zawartość Mo i B za pomocą optycznej spektrometrii emisyjnej z plazmą sprzężoną indukcyjnie (OES-ICP). Użyj metody kalibracji zewnętrznej zgodnie z instrukcją obsługi przyrządu. Rejestruj sygnały na następujących długościach fal: Mo przy 203,844 nm i 204,598 nm oraz B przy 249,773 nm.</li>
		<li>Oznaczyć zawartość Fe, Co i Cu za pomocą płomieniowej spektrometrii absorpcji atomowej (F-AAS). Użyj metody kalibracji zewnętrznej podanej w instrukcji przyrządu i wybierz następujące długości fal: Fe przy 248,3 nm, Co przy 240,7 nm i Cu przy 324,7 nm.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Charakterystyka strukturalna produkowanych wstęg
	<ol>
		<li>Sprawdź amorficzną naturę wytworzonych wstęg, wykonując dyfrakcję rentgenowską (XRD) w geometrii Bragga-Brentano; użyj anody Cu o długości fali 0,154056 nm, zapisz wzór dyfrakcyjny od 20-100° 2Θ z krokiem kątowym 0,05° i czasem akwizycji 20 s dla jednego punktu. 
		UWAGA: Dyfraktogram XRD próbki amorficznej charakteryzuje się szerokimi pikami odbicia, takimi jak te pokazane na Rysunek 2. Nie powinny być obecne żadne wąskie linie wskazujące na obecność krystalitów.</li>
		<li>Przygotować małe kawałki wyprodukowanych wstęg o łącznej masie około 3-5 mg i umieścić je w tyglu grafitowym urządzenia DSC. 
		UWAGA: Małe kawałki o długości około 2 mm można odciąć od wstążki nożyczkami.</li>
		<li>Przeprowadzić eksperyment DSC z rampą temperatury 10 K/min w zakresie temperatur 50-700 °C w atmosferze Ar.</li>
		<li>Określić temperaturę początku krystalizacji Tx1, która jest mierzona w załamaniu najbardziej wyraźnego piku na krzywej DSC. 
		UWAGA: Temperatura początku krystalizacji Tx1 jest oznaczona strzałką w Rysunek 3.</li>
		<li>Wybrano pięć temperatur wyżarzania, które obejmują zarówno obszary prekrystalizacji, jak i krystalizacji na DSC, w celu dalszego wyżarzania ex situ. 
		UWAGA: W naszym przypadku odpowiednie temperatury to 370, 410, 450, 510 i 550 °C, jak pokazano na <silna klasa="xfig">Rysunek 3.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wyżarzanie ex situ
	<ol>
		<li>Przygotuj pięć grup po kawałki o długości ~ 7 cm (całkowita długość) hartowanej wstążki. Poszczególne wstążki powinny mieć co najmniej 1 cm długości.</li>
		<li>Do wyżarzania ex situ należy użyć pieca (<klasa strong="xfig">Rysunek 4). Ustaw temperaturę docelową i poczekaj 15 minut na jej ustabilizowanie. 
		UWAGA: Konstrukcja pieca zapewnia minimalne czasy rozpoczęcia wyżarzania izotermicznego. Piec ten składa się z dwóch części: górnych i dolnych okrągłych masywnych niklowanych bloków miedzianych, które działają jako homogenizator temperatury. Paski Kanthal A nagrzewają bloki o dużej dynamice regulacji i stabilizacji temperatury. Temperatura docelowa jest temperaturą określoną w kroku 1.4.5.</li>
		<li>Włóż kawałki taśmy do opróżnionej i stabilizowanej termicznie strefy. Aby to zrobić, otwórz szczelinę 7-10 mm między dwoma blokami i wsuń taśmy bezpośrednio do środka ogrzewanej strefy.</li>
		<li>Natychmiast zamknij lukę. W ten sposób temperatura próbki osiąga temperaturę pieca w czasie krótszym niż 5 s przy różnicy 0,1 K.</li>
		<li>Wyżarzanie należy wykonywać w temperaturze 370, 410, 450, 510 i 550 °C przez 30 minut w próżni, aby zapobiec utlenianiu powierzchni.</li>
		<li>Po wyżarzaniu usuń podgrzane wstęgi i umieść je na zimnym podłożu wewnątrz systemu próżniowego. Zapewnia to szybkie schładzanie próbek do temperatury pokojowej. 
		UWAGA: Obróbka termiczna hartowanych wstęg wywołuje zmiany strukturalne, które ostatecznie prowadzą do krystalizacji pierwotnie amorficznego materiału.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Metody badawcze
<ol>
	<li>Spektrometria Mössbauera 
	UWAGA: Zastosowanie żelaza wzbogaconego do około 50% w 57Fe do produkcji badanego MG zapewnia wystarczająco krótkie czasy akwizycji dla eksperymentów NFS in situ. Z drugiej strony efektywna grubość taśm jest znacznie zwiększona. Rodzi to problemy związane z niezwykle dużym poszerzeniem absorpcyjnych linii widmowych Mössbauera zarejestrowanych w eksperymencie konwencjonalnej geometrii transmisji. Dlatego należy rozważyć zastosowanie technik spektrometrii Mössbauera czułych na powierzchnie. Mianowicie można zastosować spektrometrię Mössbauera z konwersją elektronów (CEMS) i spektrometrię Mössbauera z konwersją promieniowania rentgenowskiego (CXMS). Podczas gdy CEMS skanuje obszary podpowierzchniowe do głębokości około 200 nm, CXMS dostarcza informacji z głębszych obszarów, które rozciągają się do około 5-10 μm.
	<ol>
		<li>Przygotuj próbki do eksperymentów CEMS/CXMS; użyj 6-8 kawałków wstążek o długości ~ 1 cm na jedną próbkę.</li>
		<li>Przymocuj wstążki obok siebie do aluminiowego uchwytu, aby utworzyć zwartą powierzchnię o wymiarach około 1 x 1 cm2; użyj taśmy klejącej na końcach wstążek; wszystkie wstążki muszą być ułożone stroną powietrzną do góry. 
		UWAGA: Upewnij się, że między taśmami a uchwytem jest kontakt elektryczny i że środkowa część próbki (około 8 x 10 mm2) jest oczyszczona z wszelkich zanieczyszczeń powierzchniowych, np. resztek taśmy klejącej.</li>
		<li>Włóż aluminiowy uchwyt z próbką do detektora CEMS/CXMS.</li>
		<li>Przed pomiarem należy dokładnie umyć wewnętrzną objętość detektora strumieniem gazu detekcyjnego, aby usunąć całe resztki powietrza. Odczekaj 10-15 minut, aby wykonać tę procedurę.</li>
		<li>Wyreguluj przepływ gazu przez detektor za pomocą zaworu iglicowego na 3 ml/min.</li>
		<li>Podłącz wysokie napięcie do detektora: typowa wartość to około 1,2 kV dla CEMS i około 200 V wyższa dla CXMS.</li>
		<li>Rejestrować widma Mössbauera CEMS i CXMS za pomocą spektrometru o stałym przyspieszeniu wyposażonego w źródło promieniotwórcze 57Co/Rh. Spektrometr z detektorem gazu należy obsługiwać w temperaturze pokojowej zgodnie z instrukcją.</li>
		<li>Dokonaj detekcji elektronów konwersyjnych i promieni rentgenowskich za pomocą detektora gazu wypełnionego odpowiednio mieszaniną gazów He+CH4 i Ar+CH4. W obu przypadkach należy utrzymać ilośćCH4 na poziomie 10%.</li>
		<li>Powtórzyć kroki od 2.1.2 do 2.1.8 dla strony koła badanych wstążek.</li>
		<li>Przeprowadzić kalibrację prędkości14 aparatury za pomocą cienkiej (12,5 μm) folii α-Fe.</li>
		<li>Ocenić widma CEMS/CXMS; podać uzyskane wartości przesunięcia izomeru w odniesieniu do widma Mössbauera temperatury pokojowej folii kalibracyjnej α-Fe. 
		UWAGA: Uzyskane widma Mössbauera mogą być oceniane za pomocą dowolnego odpowiedniego kodu dopasowania, na przykład za pomocą oprogramowania Confit24.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Nfs
	<ol>
		<li>Przeprowadzenie eksperymentów NFS przy użyciu odpowiedniej linii badawczej rezonansu jądrowego w synchrotronie. Możliwa opcja: ID 18 w Europejskim Ośrodku Promieniowania Synchrotronowego (ESRF) w Grenoble we Francji. 25</li>
		<li>Dostosuj energię wiązki fotonów do 14,413 keV przy szerokości pasma ~ 1 meV.</li>
		<li>Umieść wstęgę badanego MG o długości około 6 mm w piecu próżniowym.</li>
		<li>Rejestrować wzorce NFS w dziedzinie czasu podczas ciągłego podgrzewania próbki do temperatury do 700 °C z prędkością 10 K/min. Do pozyskiwania danych doświadczalnych podczas całego procesu wyżarzania in situ należy stosować 1-minutowe odstępy czasu. 
		UWAGA: Geometria transmisyjna eksperymentu NFS zapewnia, że informacje o oddziaływaniach nadsubtelnych są uzyskiwane z objętości próbki.</li>
		<li>Oceń dane eksperymentalne NFS za pomocą odpowiedniego oprogramowania (np. www.nrixs.com). 
		UWAGA: Podczas jednego eksperymentu in situ zazwyczaj rejestruje się do 100 wzorców NFS w dziedzinie czasu. Podczas ich oceny przez pakiet oprogramowania CONUSS26,27, rozważ zastosowanie specjalnego darmowego oprogramowania o nazwie Hubert, które może oceniać tak ogromne ilości danych w trybie półautomatycznym28.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>McHenry, M. E., Laughlin, D. E. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645499002967">Nano-scale materials development for future magnetic applications.</a> Acta Mater. 48 (1), 223-238 (2000).</li>
<li>Chang, Y. -H., Hsu, C. -H., Chu, H. -L., Chang, C. -W., Chan, W. -S., Lee, C. h-Y., Yao, C. -S., He, Y. -L. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/288379098_Effect_of_uneven_surface_on_magnetic_properties_of_Fe-based_amorphous_transformer">Effect of uneven surface on magnetic properties of Fe-based amorphous transformer.</a> Int. J. Elect. Comp. Energetic, Electronic and Commun. Eng. 5 (8), 1160-1164 (2011).</li>
<li>Herzer, G. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645412007872">Modern soft magnets: Amorphous and nanocrystalline materials.</a> Acta Mater. 61 (3), 718-734 (2013).</li>
<li>Yoshizawa, Y., Oguma, A., Yamauchi, K. <a target="_blank" href="https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.342149">New Fe-based soft magnetic-alloys composed of ultrafine grain-structure.</a> J. Appl. Phys. 64 (10), 6044-6046 (1988).</li>
<li>Suzuki, K., Kataoka, N., Inoue, A., Makino, A., Masumoto, T. <a target="_blank" href="https://www.jstage.jst.go.jp/article/matertrans1989/31/8/31_8_743/_pdf">High saturation magnetization and soft magnetic-properties of bcc Fe-Zr-B alloys with ultrafine grain-structure.</a> Mater. Trans. JIM. 31 (8), 743-746 (1990).</li>
<li>Willard, M. A., Laughlin, D. E., McHenry, M. E., Thoma, D., Sickafus, K., Cross, J. O., Harris, V. G. <a target="_blank" href="https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.369007">Structure and magnetic properties of (Fe0.5Co0.5)(88)Zr7B4Cu1 nanocrystalline alloys.</a> J. Appl. Phys. 84 (88), 6773-6777 (1998).</li>
<li>Makino, A., Men, H., Kubota, T., Yubuta, K., Inoue, A. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.3058624">New Fe-metalloids based nanocrystalline alloys with high B-s of 1.9 T and excellent magnetic softness.</a> J. Appl. Phys. 105 (7), (2009).</li>
<li>Suzuki, K., Herzer, G. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646212001698">Magnetic-field-induced anisotropies and exchange softening in Fe-rich nanocrystalline soft magnetic alloys.</a> Scripta Mater. 67 (6), 548-553 (2012).</li>
<li>Hasegawa, R. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304885312001850">Advances in amorphous and nanocrystalline materials.</a> J. Magn. Magn. Mater. 324 (21), 3555-3557 (2012).</li>
<li>Hristoforou, E., Reilly, R. E. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/pdf/10.1063/1.348157">Nonuniformity in amorphous ribbon delay lines after stress and current annealing.</a> J. Appl. Phys. 69 (8), 5008-5010 (1991).</li>
<li>Hristoforou, E., Niarchos, D. <a target="_blank" href="http://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/280871/">Fast characterization of magnetostrictive delay-lines.</a> IEEE Trans. Magn. 29 (6), 3147-3149 (1993).</li>
<li>Miglierini, M., Lančok, A., Kohout, J. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/pdf/10.1063/1.3431612">Hyperfine fields in nanocrystalline Fe-Zr-B probed by 57Fe nuclear magnetic resonance spectroscopy.</a> Appl. Phys. Lett. 96 (21), (2010).</li>
<li>Kohout, J., Křišťan, P., Kubániová, D., Kmječ, T., Závěta, K., Štepánková, H., Lančok, A., Sklenka, Ľ, Matúš, P., Miglierini, M. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/275331548_Low_temperature_behavior_of_hyperfine_fields_in_amorphous_and_nanocrystalline_FeMoCuB">Low Temperature Behavior of Hyperfine Fields in Amorphous and Nanocrystalline FeMoCuB.</a> J. Appl. Phys. 117 (17), 1-17 (2015).</li>
<li>Gütlich, P. h, Bill, E., Trautwein, A. X. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aG%C3%BCtlich%2C+Ph+%22M%C3%B6ssbauer+Spectroscopy+and+Transition+Metal+Chemistry%22">Mössbauer Spectroscopy and Transition Metal Chemistry</a>. , Springer-Verlag. Berlin, Heidelberg, Germany. (2011).</li>
<li>Stankov, S., Sepiol, B., Kaňuch, T., Scherjau, D., Würschum, R., Miglierini, M. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0953-8984/17/21/013">High Temperature Mössbauer Effect Study of Fe90Zr7B3 Nanocrystalline Alloy.</a> J. Phys.: Condens. Mat. 17 (21), 3183-3196 (2005).</li>
<li>Smirnov, G. V. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1023/A:1017007520099">General properties of nuclear resonant scattering.</a> Hyperfine Int. 123 (1-8), 31-77 (1999).</li>
<li>Röhlsberger, R. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aR%C3%B6hlsberger%2C+R+%22Nuclear+Condensed+Matter+Physics+with+Synchrotron+Radiation%22">Nuclear Condensed Matter Physics with Synchrotron Radiation</a>. , Springer-Verlag. Berlin, Heidelberg, Germany. (2004).</li>
<li>Miglierini, M., Procházka, V., Stankov, S., Švec, P. Sr, Zajac, M., Kohout, J., Lančok, A., Janičkovič, D., Švec, P. <a target="_blank" href="https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.86.020202">Crystallization kinetics of nanocrystalline alloys revealed by in-situ nuclear forward scattering of synchrotron radiation.</a> Phys. Rev. B. 86 (2), (2012).</li>
<li>Miglierini, M., Procházka, V., Rüffer, R., Zbořil, R. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S135964541500169X">In situ crystallization of metallic glasses during magnetic annealing.</a> Acta Mater. 91, 50-56 (2015).</li>
<li>Procházka, V., Vrba, V., Smrčka, D., Rüffer, R., Matúš, P., Mašláň, M., Miglierini, M. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925838815007665">Structural transformation of NANOPERM-type metallic glasses followed in situ by synchrotron radiation during thermal annealing in external magnetic field.</a> J. Alloy. Compounds. 638, 398-404 (2015).</li>
<li>Miglierini, M., Pavlovič, M., Procházka, V., Hatala, T., Schumacher, G., Rüffer, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Evolution+of+structure+and+local+magnetic+fields+during+crystallization+of+HITPERM+glassy+alloys+studied+by+in+situ+diffraction+and+nuclear+forward+scattering+of+synchrotron+radiation%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Chem.+Chem.+Phys%22%5BJournal%5D)">Evolution of structure and local magnetic fields during crystallization of HITPERM glassy alloys studied by in situ diffraction and nuclear forward scattering of synchrotron radiation.</a> Phys. Chem. Chem. Phys. 17 (42), 28239-28249 (2015).</li>
<li>Miglierini, M. B., Procházka, V. Nanocrystallization of Metallic Glasses Followed by in situ Nuclear Forward Scattering of Synchrotron Radiation. <a target="_blank" href="https://www.intechopen.com/books/x-ray-characterization-of-nanostructured-energy-materials-by-synchrotron-radiation">X-ray Characterization of Nanomaterials by Synchrotron Radiation</a>. Khodaei, M., Petaccia, L. , InTech. Rjeka, Croatia. 7-29 (2017).</li>
<li>Miglierini, M., Matúš, P. <a target="_blank" href="https://www.degruyter.com/view/j/pac.2017.89.issue-4/pac-2016-1128/pac-2016-1128.xml">Structural Modifications of Metallic Glasses Followed by Techniques of Nuclear Resonances.</a> Pure Appl. Chem. 89 (4), 405-417 (2017).</li>
<li>Žák, T., Jirásková, Y. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/sia.2285/pdf">CONFIT: Mössbauer spectra fitting program.</a> Surf. Interf. Anal. 38 (4), 710-714 (2006).</li>
<li>Rüffer, R., Chumakov, A. I. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1007/BF02150199">Nuclear-resonance beamline at ESRF.</a> Hyperfine Interact. (1-4), 589-604 (1996).</li>
<li>Sturhahn, W., Gerdau, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Evaluation+of+time-differential+measurements+of+nuclear-resonance+scattering%5BTitle%5D)+AND+%22of+X-rays+Phys.+Rev.+B%22%5BJournal%5D)">Evaluation of time-differential measurements of nuclear-resonance scattering.</a> of X-rays Phys. Rev. B. 49 (14), 9285-9294 (1994).</li>
<li>Sturhahn, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((CONUSS+and+PHOENIX%3A+Evaluation+of+nuclear+resonant+scattering+data%5BTitle%5D)+AND+%22Hyperfine+Interact%22%5BJournal%5D)">CONUSS and PHOENIX: Evaluation of nuclear resonant scattering data.</a> Hyperfine Interact. 125 (1-4), 149-172 (2000).</li>
<li>Vrba, V., Procházka, V., Smrčka, D., Miglierini, M. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168900216312037">Advanced Approach to the Analysis of a Series of in-situ Nuclear Forward Scattering Experiments.</a> Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A. 847, 111-116 (2017).</li>
<li>Miglierini, M., Grenèche, J. -M. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0953-8984/9/10/017">Mössbauer Spectrometry of Fe(Cu)MB-Type Nanocrystalline Alloys: I. The Fitting Model for the Mössbauer Spectra.</a> J. Phys.: Condens. Matter. 9 (10), 2303-2319 (1997).</li>
<li>Mülhaupt, G., Rüffer, R. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1023/A:1017055403261">Properties of synchrotron radiation.</a> Hyperfine Int. 123 (1-8), 13-30 (1999).</li>
<li>Rüffer, R. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1631070507001338">Nuclear resonance scattering.</a> C. R. Physique. 9 (5-6), 595-607 (2008).</li>
<li>Seto, M. <a target="_blank" href="http://journals.jps.jp/doi/pdf/10.7566/JPSJ.82.021016">Condensed matter physics using nuclear resonant scattering.</a> J. Phys. Soc. Jpn. 82 (2), 021016(2013).</li>
<li>Machala, L., Procházka, V., Miglierini, M., Sharma, V. K., Marušák, Z., Wille, H. -C. h, Zbořil, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+Evidence+of+Fe%28V%29+and+Fe%28IV%29+Intermediates+during+Reduction+of+Fe%28VI%29+to+Fe%28III%29%3A+A+Nuclear+Forward+Scattering+of+Synchrotron+Radiation+Approach%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Chem.+Chem.+Phys%22%5BJournal%5D)">Direct Evidence of Fe(V) and Fe(IV) Intermediates during Reduction of Fe(VI) to Fe(III): A Nuclear Forward Scattering of Synchrotron Radiation Approach.</a> Phys. Chem. Chem. Phys. 17 (34), 21787-21790 (2015).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Ex situ Eksperymenty z efektem Mössbauera opisują stałą sytuację, która występuje w badanym MG po zastosowaniu obróbki cieplnej. Każde widmo było zbierane przez kilka godzin w temperaturze pokojowej. W związku z tym ewolucję pierwotnie amorficznej struktury prześledzono jako funkcję warunków wyżarzania. Ponieważ spektrometria Mössbauera jest czuła na oddziaływania nadsubtelne działające na rezonansowe jądra, można ujawnić słabe szczegóły zmian strukturalnych i/lub magnetycznych wywołanych podwyższoną temperaturą...

Wysokobazowe MG na bazie żelaza, przygotowane przez szybkie hartowanie stopu, reprezentują przemysłowe materiały atrakcyjne z licznymi praktycznymi zastosowaniami1. Zwłaszcza, że ich właściwości magnetyczne są często lepsze niż konwencjonalnych stopów (poli)krystalicznych2,3. Aby lepiej wykorzystać ich korzystne parametry, należy znać ich reakcję na podwyższone temperatury. Wraz ze wzrostem temperatury amorficzna struktura rozluźnia się i w końcu rozpoczyna się krystalizacja. W niektórych typach MG może to prowadzić do pogorszenia ich parametrów magnetycznych, a w konsekwencji do gorszej wydajności. Istnieje jednak kilka rodzin MG na bazie żelaza o specjalnym składzie4,5,6,7, w których nowo powstałe ziarna krystaliczne są bardzo drobne, zwykle poniżej około 30 nm. Nanokryształy stabilizują strukturę, a tym samym zachowują akceptowalne parametry magnetyczne w szerokim zakresie temperatur8,9. Są to tak zwane stopy nanokrystaliczne (NCA).
Długoterminowa niezawodność działania MG, szczególnie w podwyższonych temperaturach i/lub trudnych warunkach (promieniowanie jonizujące, korozja, itp.) wymaga gruntownej wiedzy na temat ich zachowania i indywidualnych parametrów fizycznych. Ponieważ MG są amorficzne, asortyment technik analitycznych, które są odpowiednie do ich charakterystyki, jest raczej ograniczony. Na przykład metody dyfrakcyjne zapewniają szerokie i pozbawione cech odbicia, które można wykorzystać tylko do weryfikacji amorficzności.
Warto zauważyć, że istnieje kilka, zazwyczaj pośrednich metod, które zapewniają szybką i nieniszczącą charakterystykę MG (np. zasada magnetostrykcyjnej detekcji linii opóźniającej). Metoda ta zapewnia szybką charakterystykę stanów konstrukcyjnych i naprężeń, w tym obecności niejednorodności. Został on korzystnie zastosowany do szybkiej i nieniszczącej charakterystyki na całej długości wstęg MG10,11.
Bardziej szczegółowy wgląd w nieuporządkowany układ strukturalny można uzyskać dzięki oddziaływaniom nadsubtelnym, które z wyczuciem odzwierciedlają lokalny układ atomów rezonansowych. Ponadto można ujawnić różnice w topologicznym i chemicznym porządku krótkiego zasięgu. W związku z tym należy rozważyć takie metody jak spektrometria magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR) i/lub spektrometria Mössbauera, obie wykonywane na 57jądrach Fe, powinny być brane pod uwagę12,13. Podczas gdy pierwsza metoda zapewnia odpowiedź wyłącznie na magnetyczne oddziaływania dipolowe nadsubtelne, druga jest również wrażliwa na oddziaływania elektrycznego kwadrupolu. W ten sposób spektrometria Mössbauera udostępnia jednocześnie informacje zarówno o układzie strukturalnym, jak i stanach magnetycznych rezonansowych jąder żelaza14.
Niemniej jednak, aby uzyskać rozsądne statystyki, uzyskanie widma Mössbauera zajmuje zwykle kilka godzin. Ograniczenie to powinno być brane pod uwagę zwłaszcza wtedy, gdy przewiduje się eksperymenty zależne od temperatury. Podwyższona temperatura, która jest stosowana podczas eksperymentu, powoduje modyfikacje strukturalne w badanych MGs15. W związku z tym tylko eksperymenty ex situ przeprowadzone w temperaturze pokojowej na próbkach, które najpierw zostały wyżarzone w określonej temperaturze, a następnie zwrócone do warunków otoczenia, dostarczają wiarygodnych wyników.
Ewolucja struktur MG podczas obróbki cieplnej jest rutynowo badana za pomocą technik analitycznych, które umożliwiają szybkie pozyskiwanie danych, jak na przykład dyfrakcja promieniowania rentgenowskiego synchrotronu (DSR), różnicowa kalorymetria skaningowa (DSC) lub pomiary magnetyczne. Choć możliwe są eksperymenty in situ, uzyskane informacje dotyczą zarówno cech strukturalnych (DSR, DSC), jak i magnetycznych (dane magnetyczne). Jednak w przypadku DSC (i pomiarów magnetycznych) identyfikacja rodzaju (nano)ziaren, które powstają podczas krystalizacji, nie jest możliwa. Z drugiej strony, dane DSR nie wskazują na stany magnetyczne badanego układu. Rozwiązaniem tej sytuacji jest technika wykorzystująca oddziaływania nadsubtelne: NFS promieniowania synchrotronowego16. Należy do grupy metod, które wykorzystują procesy rozpraszania rezonansu jądrowego17. Ze względu na niezwykle wysoką jasność promieniowania uzyskanego z synchrotronów trzeciej generacji, eksperymenty NFS z temperaturą w warunkach in situ stały się wykonalne18,19,20,21,22,23.
Zarówno spektrometria Mössbauera, jak i NFS rządzą się tymi samymi zasadami fizycznymi związanymi z rezonansem jądrowym między poziomami energetycznymi 57jąder Fe. Niemniej jednak, podczas gdy pierwszy z nich skanuje oddziaływania nadsubtelne w domenie energii, drugi dostarcza interferogramów w dziedzinie czasu. W ten sposób wyniki uzyskane obiema metodami są równoważne i komplementarne. Aby ocenić dane NFS, należy ustanowić rozsądny model fizyczny. To trudne zadanie można wykonać za pomocą spektrometrii Mössbauera, która dostarcza pierwszego oszacowania. Komplementarność tych dwóch metod oznacza, że NFS in situ bada stany przejściowe, a spektrometria Mössbauera odzwierciedla stany stabilne, tj. stan początkowy i/lub końcowy materiału badanego ex situ.
Ten artykuł szczegółowo opisuje wybrane zastosowania tych dwóch mniej popularnych metod rezonansu jądrowego: tutaj stosujemy je do badania modyfikacji strukturalnych, które zachodzą w (Fe2.85Co1)77Mo8Cu1B14 MG poddanych obróbce cieplnej. Mamy nadzieję, że ten artykuł wzbudzi zainteresowanie badaczy wykorzystaniem tych technik do badania podobnych zjawisk i ostatecznie z różnymi rodzajami materiałów.

<table><tbody><tr><td>stabilny izotop, 57Fe</td><td>Isoflex USA</td><td>żelazo-57</td><td>metaliczna forma</td></tr><tr><td>wzorcowa elektrolityczna Fe, 99,95 %</td><td>Sigma Aldrich (Merck)</td><td>1,03819</td><td>drobny proszek</td></tr><tr><td>elektrolityczny Co, 99,85 %</td><td>Sigma Aldrich (Merck)</td><td>1,12211</td><td>drobny proszek</td></tr><tr><td>elektrolityczny Cu, 99,8</td>% <td>Sigma Aldrich (Merck)</td><td>1,02703</td><td>drobny proszek</td></tr><tr><td>elektrolityczna Mo, 99,95 %</td><td>Sigma Aldrich (Merck)</td><td>1,12254</td><td>drobny proszek</td></tr><tr><td>krystaliczny B, 99,95 %</td><td>Sigma Aldrich (Merck)</td><td>266620</td><td>krystaliczna</td></tr><tr><td>folia kalibracyjna do M&ouml; ssbauerowska spektrometria, bcc-Fe</td><td>GoodFellow</td><td>564-385-23</td><td>folia 0,0125 mm, czystość 99,85 %</td></tr><tr><td>kwas HNO3, ANALPURE Ultra</td><td>Analytika Praha, Czechy</td><td>UAc0061a</td><td>stężenie 67 %, objętość 500 ml</td></tr><tr><td>spektrometr do atomowej spektrometrii absorpcyjnej</td><td>Perkin Elmer 1100, Niemcy</td><td></td><td></td></tr><tr><td>spektrometr do optycznej spektrometrii emisji z indukcyjnie sprzężonym plazma</td><td>Jobin Yvon 70 Plus, Francja</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Dyfraktometr rentgenowski</td><td>Bruker D8 Advance, USA</td><td></td><td></td></tr><tr><td>różnicowy kalorymetr skaningowy</td><td>Perkin Elmer DSC 7, Niemcy</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

metody badań przemian strukturalnych ex situ i in situ: przypadek krystalizacji szkieł metalicznych

Methods of Ex Situ and In Situ Investigations of Structural Transformations: The Case of Crystallization of Metallic Glasses

Pokazujemy użycie dwóch metod analitycznych opartych na jądrze, które mogą podążać za modyfikacjami mikrostrukturalnego układu metalowych szkieł na bazie żelaza (MG). Pomimo ich amorficznej natury, identyfikacja oddziaływań nadsubtelnych ujawnia słabe modyfikacje strukturalne. W tym celu zastosowaliśmy dwie techniki wykorzystujące rezonans jądrowy między poziomami jądrowymi stabilnego izotopu 57Fe, a mianowicie spektrometrię Mössbauera i rozpraszanie jądrowe w przód (NFS) promieniowania synchrotronowego. Wpływ obróbki cieplnej na (Fe2,85Co1)77Mo8Cu1B14 MG omówiono na podstawie wyników eksperymentów ex situ i in situ, odpowiednio. Ponieważ obie metody są wrażliwe na oddziaływania nadsubtelne, informacje na temat układu strukturalnego, jak również mikrostruktury magnetycznej są łatwo dostępne. Spektrometria Mössbauera wykonywana ex situ opisuje, w jaki sposób układ strukturalny i mikrostruktura magnetyczna pojawiają się w temperaturze pokojowej po wyżarzaniu w określonych warunkach (temperatura, czas), a zatem technika ta kontroluje stany ustalone. Z drugiej strony, dane NFS są rejestrowane in situ podczas dynamicznie zmieniającej się temperatury, a NFS bada stany przejściowe. Zastosowanie obu technik dostarcza uzupełniających się informacji. Ogólnie rzecz biorąc, można je zastosować do dowolnego odpowiedniego systemu, w którym ważna jest znajomość jego stanu ustalonego, ale także stanów przejściowych.

Dyfraktogram XRD na Rysunku 2 wykazuje szerokie, bezkształtne piki dyfrakcyjne. Zaobserwowane refleksy dowodzą, że otrzymana taśma (Fe2.85Co1)77Mo8Cu1B14 MG jest amorficzna w badaniu XRD.
Ze względu na swoją czułość, XRD posiada pewne ograniczenia w ujawnianiu krystalizacji powierzchniowej. Obecność krystalitów stanowiących mniej niż ...

Tutaj prezentujemy protokół opisujący badania ex situ i in situ przemian strukturalnych w szkłach metalowych. Zastosowaliśmy metody analityczne oparte na jądrze, które badają oddziaływania nadsubtelne. Wykazujemy możliwość zastosowania spektrometrii Mössbauera i jądrowego rozpraszania promieniowania synchrotronowego do przodu podczas eksperymentów opartych na temperaturze.

Metody badań przemian strukturalnych ex situ i in situ: przypadek krystalizacji szkieł metalicznych

We demonstrate the use of two nuclear-based analytical methods that can follow the modifications of microstructural arrangement of iron-based metallic ...

Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania dotyczące ewolucji krystalizacji w szkłach metalicznych na bazie żelaza w odniesieniu do zmieniającego się czasu i/lub temperatury. Główną zaletą tej procedury jest zastosowanie dwóch uzupełniających się metod analitycznych opartych na jądrach, które mogą śledzić przemiany strukturalne i magnetyczne poprzez oddziaływania nadsubtelne. Spektroskopia Mossbauera wykonywana ex situ opisuje, w jaki sposób układ strukturalny i mikrostruktura magnetyczna pojawiają się po wyżarzaniu w określonej temperaturze i czasie, a więc odzwierciedlają sytuację statyczną.Metoda jądrowego rozpraszania promieniowania synchrotronowego do przodu dostarcza danych, które są rejestrowane in situ podczas dynamicznie zmieniającej się temperatury, a tym samym kontroluje stany przejściowe. Zabieg zademonstruje dr Irena Janatova, młodszy pracownik naukowy z naszego laboratorium. Najpierw odlać wcześniej przygotowany stop na obracające się koło hartownicze aparatu do odlewania z przepływem planarnym w warunkach otoczenia.Sprawdź amorficzny charakter wytworzonych wstęg, wykonując dyfrakcję rentgenowską w geometrii Bragga-Brentano. Użyj anody miedzianej i zapisz w

methods-ex-situ-situ-investigations-structural-transformations-case

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Ocena prób krystalizacji dwuwymiarowej (2D) w celu utworzenia uporządkowanych macierzy białek błonowych jest niezwykle istotnym i trudnym zadaniem w krystalografii elektronowej. Opisujemy tutaj nasze podejście do przesiewania i identyfikacji kryształów 2D, głównie małych białek błonowych o masie w zakresie 15 – 90kDa.

Ocena prób krystalizacji dwuwymiarowej małych białek błonowych do badań biologii strukturalnej metodą krystalografii elektronowej

Optyczne, elektryczne i strukturalne właściwości dyslokacji i granic ziaren w materiałach półprzewodnikowych można określić za pomocą eksperymentów przeprowadzonych w skaningowym mikroskopie elektronowym. Mikroskopia elektronowa została wykorzystana do zbadania katodoluminescencji, prądu indukowanego wiązką elektronów i dyfrakcji elektronów rozproszonych wstecznie.

Kompleksowa charakterystyka rozszerzonych defektów w materiałach półprzewodnikowych za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego

Nowoczesna dyfrakcja proszkowa o wysokiej rozdzielczości rentgenowskiej (XRPD) w laboratorium jest używana jako skuteczne narzędzie do określania struktur krystalicznych znanych od dawna produktów korozji na obiektach historycznych.

Dyfrakcja proszków rentgenowskich w naukach konserwatorskich: w kierunku rutynowego oznaczania struktury krystalicznej produktów korozji na obiektach dziedzictwa kulturowego

Izolowanie elektrycznych i termicznych efektów na elektrycznie wspomagane deformacje (EAD) jest bardzo trudne przy użyciu makroskopowych próbek. Opracowano mikro- i nanostruktury próbek metalicznych wraz z niestandardową procedurą testową w celu oceny wpływu przyłożonego prądu na powstawanie bez ogrzewania dżuli i ewolucję dyslokacji na tych próbkach.

Nowatorska metoda elektromechanicznej charakterystyki próbek w nanoskali in situ

Analiza morfologii, składu i rozmieszczenia blaszek rozpuszczających może dostarczyć niezbędnych informacji do zrozumienia procesów geologicznych związanych z wulkanizmem i metamorfizmem. Przedstawiamy nowatorskie zastosowanie APT do charakterystyki takich blaszek i porównujemy to podejście z konwencjonalnym zastosowaniem mikroskopii elektronowej i nanotomografii opartej na FIB.

Tomografia atomowa Analiza rozpuszczonych faz mineralnych

Ten artykuł szczegółowo opisuje protokół wytwarzania mikroprzepływowych chipów opracowanych do krystalizacji białek na chipie metodą dializy i eksperymentów dyfrakcji rentgenowskiej in situ. Proces mikroprodukcji umożliwia zintegrowanie półprzepuszczalnej membrany do dializy z regenerowanej celulozy z dowolnym odcięciem masy cząsteczkowej między dwiema warstwami chipa.

Krystalizacja białek na chipie za pomocą mikrodializy do badań dyfrakcji rentgenowskiej in situ

Tutaj prezentujemy protokół przeprowadzania eksperymentów z reakcjami na gaz zamkniętymi in situ TEM, jednocześnie szczegółowo opisując kilka powszechnie stosowanych metod przygotowania próbek.

Przeprowadzanie reakcji gazowych in situ w komórkach zamkniętych w transmisyjnym mikroskopie elektronowym

Prezentujemy protokół krystalizacji białek za pomocą urządzenia do krystalizacji w Kompleksie Badawczym w Harwell i późniejsze zbieranie danych krystalograficznych in situ w promieniowaniu rentgenowskim in situ z kryształów wewnątrz płytek na linii badawczej Diamond's Versatile Macromolecular Crystallography in situ (VMXi). Opisujemy wymagania dotyczące próbek, protokoły krystalizacji i wytyczne dotyczące zbierania danych.

Gromadzenie danych o krystalizacji i temperaturze pokojowej in situ przy użyciu urządzenia do krystalizacji w Harwell i linii badawczej VMXi, diamentowego źródła światła

Tutaj prezentujemy protokół syntezy dwóch chalkogenków metali (Cu1.8S i SnSe) odpowiednich dla termoelektryki poprzez ultraszybką (drugi zakres), bezrozpuszczalnikową i jednoetapową syntezę mechanochemiczną przy użyciu prekursorów pierwiastkowych. Jednocześnie demonstrujemy monitorowanie temperatury w słoiku podczas planetarnego mielenia kulowego in situ przez nowo opracowane urządzenie.

Demonstracja prostoty i monitorowania temperatury in situ mechanochemicznej syntezy chalkogenków metali odpowiednich do zastosowań termoelektrycznych

Spektroskopia Ramana w komórkach płynnych (FCRS) umożliwia operandowe obserwacje zjawisk reakcji i transportu podczas wodnej korozji szkieł krzemianowych na poziomie mikroskopowym, w podwyższonych temperaturach i w czasie rzeczywistym. Nie przerywając zachodzących procesów, FCRS dostarcza informacji o mechanizmach reakcji, kinetyce i procesach transportu.

Spektroskopia Ramana w komórkach płynnych do badań operando zjawisk reakcji i transportu podczas korozji szkła krzemianowego

Poznaj metody badania przemian strukturalnych w szkłach metalicznych przy użyciu spektroskopii Mössbauera i rozpraszania synchrotronowego. Techniki te pozwalają analizować zmiany strukturalne i magnetyczne w czasie rzeczywistym.

Metody badań przemian strukturalnych ex situ i in situ: przypadek krystalizacji szkieł metalicznych

Przeglądaj więcej filmów