Các loại vật liệu có diện tích bề mặt lớn được sử dụng rộng rãi như chất hấp thụ, chất xúc tác, rây phân tử, trao đổi ion và các tác nhân sắc ký. Tính chất bề mặt độc đáo của chúng đã trở thành đề tài nghiên cứu chuyên sâu hơn 100 năm qua [31]. Việc ứng dụng kỹ thuật huỷ positron trong nghiên cứu các vật liệu diện tích bề mặt
lớn đã được thực hiện hơn 45 năm trước và chỉ ra rằng o-Ps được hình thành trong các loại bột oxit mịn có thể đi vào không gian tự do bên trong hạt. Có thể nhận thấy
rằng bên trong vật liệu xốp kích thước nhỏ (micropores) (độ rộng lỗ rỗng < 2,0 nm)
và kích thước trung bình (mesopores) (2,0 nm < độ rộng lỗ rỗng < 50 nm) chẳng
hạnnhư zeolite, gel silica, thì một phần đáng kể o-Ps có thể bị định xứ bên trong lỗ
rỗng, và có dải thời gian sống dài, tùy thuộc vào kích thước lỗ rỗng [31].
Ps hình thành trong pha rắn của vật liệu xốp có thể tới được bề mặt lỗ rỗng
thông qua khuếch tán và đi vào bên trong lỗ rỗng. Do sự khác biệt giữa năng lượng ban đầu (zero – point energy) của o-Ps giữa bên trong và bên ngoài lỗ trống (void),
ban đầu Ps trong lỗ rỗng có động năng vài eV (công âm của Ps – negative work function), động năng này sẽ mất đi qua các va chạm với các tường của các lỗ rỗng
[31]. Sau khi năng lượng này mất đi, Ps không thể quay trở lại vào pha rắn mà định
xứ bên trong lỗ rỗng và cuối cùng huỷ pick – off [31]. Sự hủy pick-off phụ thuộc
vào sự chồng chập hàm sóng của positron và electron phân tử. Đối với các lỗ rỗng
lớn, sự chồng chập này chỉ quan trọng khi Ps đến gần các tường lỗ rỗng, và là
không đáng kể khi bên trong lỗ rỗng. Với sự gia tăng kích thước lỗ rỗng, xác suất
35
cận với giá trị huỷ trong chân không. Thời gian sống trung bình của p-Ps trong vật
chất thay đổi ít so với giá trị huỷ trong chân không, mặc dù có thêm sự huỷ với các electron trong môi trường [1]. Tuy nhiên, thời gian sống của o-Ps (trái ngược với p- Ps) trong vật chất là đủ dài để nó bị ảnh hưởng bởi sự tương tác đẩy giữa các
electron của nó với các electron trong các phân tử vật liệu [31, 32]. Vì lý do này o-
Ps được giả định rằng nó có thể khuếch tán một cách nhanh chóng ra khỏi vị trí
mạng hoàn hảo sau khi hình thành và di chuyển vào các khuyết tật thể tích mở
(chẳng hạn như các lỗ rỗng trong phân tử chất rắn) nơi mà năng lượng liên kết lớn hơn so với mạng hoàn hảo [31], làm cho bản thân trở thành “đầu dò” nội bộ hữu
hiệu cho vật liệu xốp (hình 2.1).
Hình 2.1. Ps trong hệ xốp. Để hiểu rõ khả năng của Ps như một đầu dò trong hệ
xốp, các quá trình hình thành, nhiệt hoá, khuếch tán và huỷ cần được
nghiên cứu kỹ lưỡng [31].
Các Ps định xứ có thể trải qua các tương tác khác nhau. Hình 2.2: (1) Ps có thể
huỷ với các electron trên bề mặt lỗ rỗng bởi quá trình huỷ pick-off, ngoài các quá trình tự huỷ với thời gian sống 142 ns. Bởi vì tốc độ huỷ pick-off tỷ lệ thuận với khả năng Ps tiếp xúc với các tường lỗ rỗng, do đó thời gian sống Ps sẽ ngắn hơn khi kích thước lỗ rỗng giảm. Vì vậy, Ps có thể được sử dụng như một “đầu dò” trong hệ
xốp (porosimetric) để đánh giá kích thước trung bình và sự phân bố kích thước của
lỗ rỗng lên đến 50 nm. (2) Trong trường hợp các lỗ rỗng được lấp đầy một phần
36
các phân tử lấp đầy dẫn đến thời gian sống o-Ps ngắn. Điều này cho phép Ps được (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
sử dụng như một “đầu dò” hóa học cho sự hấp thụ và lấp đầy lỗ trống. (3) Trong trường hợp tồn tại các electron nhận (electron acceptor) hoặc electron tự do trong lỗ
trống, Ps bị dập tắt bởi phản ứng hóa học hoặc spin đảo chiều tương ứng. Điều này làm cho Ps hữu dụng trong vai trò đầu dò hóa học cho bề mặt và xúc tác.
Hình 2.2. Các tương tác khác nhau của o-Ps trong lỗ rỗng [31].
Hình 2.3. Sự hình thành Ps và hủy trong vật liệu xốp [1]. Đầu dò hoá học cho bề mặt và xúc tác Đầu dò hệ xốp (1) (2) (3) (1) (2) (3) (4) Lỗ rỗng Phân rã bên trong
Phân tử Phản ứng hoá học
và spin đảo chiều
e- nhận
e-tự do
Đầu dò hoá học cho hấp thụ
37
Các quá trình tương tác có thể xảy ra của Ps trong vật liệu xốp được thể hiện
trong hình 2.3: (1) và (2) o-Ps khuếch tán và bị bẫy trong lỗ rỗng, va chạm liên tục với tường của các lỗ rỗng cho đến khi huỷ thành 2γ. (3) p-Ps hủy trong mạng hoàn hảo. (4) o-Ps bị bẫy trong thể tích mở, sau khi khuếch tán o-Ps thoát ra khỏi chất rắn và huỷ trong môi trường chân không thành 3γ. Lỗ rỗng này có kích thước lớn hơn
và nếu nó đóng thì thời gian sống của o-Ps sẽ dài hơn so với thời gian sống trong
trường hợp (1) và (2). Khi kích thước lỗ rỗng tăng thì thời gian sống của o-Ps sẽ
tiệm cận với giá trị thời gian sống trong chân không.