Molecular reorientations in the two plastic crystalline phases of norbornane. An investigation from incoherent quasielastic neutron scattering

¹ Laboratoire de Dynamique des Cristaux Moléculaires (U.A. 801). Université des Sciences et des Techniques de Lille I., 59655 Villeneuve d'Ascq Cedex, France.
² Institut Laue-Langevin, 156X, 38042 Grenoble Cedex, France.
³ Institut de Recherches sur la Catalyse, CNRS, 2, av. A. Einstein, 69626 Villeurbanne Cedex, France.

Abstract

The dynamics of norbornane molecules is studied over the 120 K-348 K temperature range in its ordered (T < 131.5 K) and in its two orientationally disordered solid phases, using the incoherent quasielastic neutron scattering technique. On the time-scale accessible to time-of-flight neutron spectroscopy, (10^–11 – 10^–12 s), an elastic incoherent structure factor is extracted in the two plastic phases, which corresponds to isotropic rotations of the molecules about their centre of gravity, with apparently no change at the transition between the two phases. A description in terms of an isotropic rotational diffusion model yields a unique Arrhenius law for the diffusion constant through all the temperature range of these two phases. A more sophisticated description based on reorientations about lattice and molecules axes gives a continuous evolution of the correlation times across the transition. A comparison is made with recent NMR results. At the lowest temperatures in the h.c.p. plastic phase, an extra amount of elastic scattering is evidenced. A possible interpretation in terms of either a local ordering of the molecules or a distribution of the correlation times is proposed.

Résumé

On étudie la dynamique des molécules de norbornane sur une gamme de température de 120 K à 348 K dans sa phase ordonnée (T < 131.5 K) et dans ses deux phases solides à désordre orientationnel, par la technique de la diffusion quasiélastique incohérente des neutrons. Dans l'échelle de temps accessible à la spectrométrie neutron par temps de vol (10^–11 – 10^–12 s), le facteur de structure élastique incohérent extrait dans les deux phases plastiques correspond à des rotations isotropes des molécules autour de leur centre de gravité, avec apparemment aucun changement à la transition entre les deux phases. Une description en termes d'un modèle de diffusion rotationnelle isotrope conduit à une loi d'Arrhénius unique pour la constante de diffusion à travers toute la gamme de température de ces deux phases. Une description plus sophistiquée basée sur des réorientations autour d'axes moléculaires ou cristallins donne une variation continue des temps de corrélation à travers la transition. On fait une comparaison avec de récents résultats de RMN. Aux températures les plus basses dans la phase plastique, on met en évidence un excès de diffusion élastique. On propose une interprétation possible soit par un ordre local des molécules, soit par une distribution des temps de corrélation.