W materiałach mezoporowatych występuje znaczna ilość pustej przestrzeni. Zazwyczaj są to kanaliki o rozmiarach kilku-kilkudziesięciu miliardowych części metra. Materiały te są interesujące z powodu ich praktycznych zastosowań. Służą jako nośniki wolno uwalniających się leków lub filtry zanieczyszczeń. W ich porach możliwe jest uwięzienie wodoru lub dwutlenku węgla, a także synteza molekuł inaczej niemożliwych do utworzenia. Są to również materiały, gdzie zazwyczaj powstaje bardzo dużo pozytu (Ps).
Spektroskopia czasów życia pozytonów (ang. PALS) może służyć jako nowoczesne narzędzie do charakteryzowania porów [1-4]. Umożliwia ona zrekonstruowanie rozkładów rozmiarów mezoporów z widm PALS. Opracowano modele [5, 6] w celu ustalenia zależności między czasem życia Ps i rozmiarem porów. Istnieje też schemat obliczeniowy [7, 8], który służy do powiązania natężeń składowych o-Ps z objętością porów o określonym rozmiarze. Zaletą tej techniki jest możliwość wykonywania pomiarów w różnych warunkach: w szerokim zakresie temperatur [9–11], zarówno w próżni, jak i w obecności większości gazów [12, 13], a nawet podczas wywierania nacisku mechanicznego na próbkę [14]. Jednak najważniejszą zaletą jest czułość PALS zarówno na pory otwarte, jak i zamknięte, podczas gdy wyniki najpopularniejszych technik adsorpcyjnych dostarczają informacji tylko o otwartej porowatości.
Interpretacja wyników PALS dla otwartych porów jest bardziej skomplikowana niż wyników dla zamkniętych porów. Głównym tego powodem jest migracja o-Ps. Migracja powoduje zniekształcenie rozkładu natężeń między składnikami o-Ps, co powoduje nieprawidłowe oszacowanie stężenia porów o określonej wielkości. Również czasy życia o-Ps ulegają skróceniu z powodu migracji, która działa jako proces konkurencyjny wobec anihilacji powodujący zniknięcie o-Ps z określonej składowej. Zrozumienie mechanizmów migracji o-Ps daje możliwość wydobycia całkowicie nowych informacji o badanej próbce, takich jak:
1. identyfikacja, które pory są otwarte, a które są zamknięte [4],
2. określenie średniej długości porów,
3. określenie średniej wielkości połączeń między porami,
4. ocena kształtów porów i ich wzajemnych połączeń.
Ostatni punkt jest szczególnie ważny dla weryfikacji modeli anihilacji o-Ps, które opisują związek między czasem życia o Ps a rozmiarem porów. Jednym z kontrowersyjnych zagadnień dotyczących modeli jest wydłużenie czasu życia o-Ps w niskich temperaturach w porównaniu do wartości przewidywanej [10, 15, 16]. Efekt ten zaobserwowano w ograniczonej liczbie porowatych materiałów, dlatego najprawdopodobniej jest to wynikiem specyficznego zachowania o-Ps w tych materiałach zamiast błędnych założeń modelu. Możliwym początkiem niecodziennego życia o-Ps jest tłumienie migracji o-Ps w niskiej temperaturze [17].
 |
 |
 |
 |
Odsyłacze
[1] C. He, R. Suzuki, T. Ohdaira, N. Oshima, A. Kinomura, M. Muramatsu, Y. Kobayashi, Study of mesoporous silica films by positron annihilation based on a slow positron beam: Effects of preparation conditions on pore size and open porosity, Chem. Phys. 331(2-3) (2007) 213-218.
[2] J. Kullmann, D. Enke, S. Thraenert, R. Krause-Rehberg, A. Inayat, Characterization of nanoporous monoliths using nitrogen adsorption and positronium annihilation lifetime spectroscopy, Colloids Surf., A 357(1-3) (2010) 17-20.
[3] R. Zaleski, W. Stefaniak, M. Maciejewska, J. Goworek, Porosity evolution of VP-DVB/MCM-41 nanocomposite, J. Colloid Interface Sci. 343(1) (2010) 134-140.
[4] R. Zaleski, A. Kierys, M. Dziadosz, J. Goworek, I. Halasz, Positron annihilation and N2 adsorption for nanopore determination in silica-polymer composites, RSC Advances 2(9) (2012) 3729-3734.
[5] T. Goworek, K. Ciesielski, B. Jasinska, J. Wawryszczuk, Positronium states in the pores of silica gel, Chem. Phys. 230(2-3) (1998) 305-315.
[6] T.L. Dull, W.E. Frieze, D.W. Gidley, J.N. Sun, A.F. Yee, Determination of Pore Size in Mesoporous Thin Films from the Annihilation Lifetime of Positronium, J. Phys. Chem. B 105(20) (2001) 4657-4662.
[7] D.W. Gidley, W.E. Frieze, T.L. Dull, J. Sun, A.F. Yee, C.V. Nguyen, D.Y. Yoon, Determination of pore-size distribution in low-dielectric thin films, Appl. Phys. Lett. 76(10) (2000) 1282-1284.
[8] R. Zaleski, J. Goworek, M. Maciejewska, Positronium lifetime in porous VP–DVB copolymer, Phys. Status Solidi C 6(11) (2009) 2445-2447.
[9] R. Zaleski, J. Wawryszczuk, J. Goworek, A. Borówka, T. Goworek, Vacuum removal of the template in MCM-41 silica studied by the positron annihilation method, J. Colloid Interface Sci. 262(2) (2003) 466-473.
[10] C.G. Fischer, M.H. Weber, C.L. Wang, S.P. McNeil, K.G. Lynn, Positronium in low temperature mesoporous films, Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 71(18) (2005) 180102.
[11] S. Kunishige, M. Koshimizu, K. Asai, Temperature dependence of positron lifetime in ordered porous silica (SBA-3), Radiat. Phys. Chem. 78(12) (2009) 1088-1091.
[12] N.J. Wilkinson, M.A. Alam, J.M. Clayton, R. Evans, H.M. Fretwell, S.G. Usmar, Positron annihilation study of capillary condensation of nitrogen gas in a mesoporous solid, Phys. Rev. Lett. 69(24) (1992) 3535.
[13] R. Zaleski, W. Dolecki, A. Kierys, J. Goworek, n-Heptane adsorption and desorption on porous silica observed by positron annihilation lifetime spectroscopy, Microporous Mesoporous Mater. 154(0) (2012) 142-147.
[14] R. Zaleski, J. Goworek, A. Borówka, A. Kierys, M. Wiśniewski, Positron porosimetry study of mechanical stability of ordered mesoporous materials, in: N. Seaton, F.R. Reinoso, P. Llewellyn, S. Kaskel (Eds.), Characterisation of Porous Solids VIII, RSC Publishing, Cambridge, 2009, pp. 400-407.
[15] M. Sniegocka, B. Jasinska, T. Goworek, R. Zaleski, Temperature dependence of o-Ps lifetime in some porous media. Deviations from ETE model, Chem. Phys. Lett. 430(4-6) (2006) 351-354.
[16] S. Thraenert, E.M. Hassan, D. Enke, D. Fuerst, R. Krause-Rehberg, Verifying the RTE model: ortho-positronium lifetime measurement on controlled pore glasses, Phys. Status Solidi C 4(10) (2007) 3819-3822.
[17] R. Zaleski, Ortho-positronium localization in pores of Vycor glass at low temperature, Journal of Physics: Conference Series 443(1) (2013) 012062.
