J. Phys. France 44, 87-99 (1983)
DOI: 10.1051/jphys:0198300440108700

Observation of the dynamics of polyelectrolyte strong solutions by quasi-elastic neutron scattering

F. Nallet¹, G. Jannink¹, J.B. Hayter^{1, 2}, R. Oberthür^{1, 2} et C. Picot<sup>1, 3

1</sup>  SPSRM, Orme des Merisiers, 91191 Gif sur Yvette, France
²  ILL, 156X, Centre de tri,. 38042 Grenoble Cedex, France.
³  CRM, 6, rue Boussingault, 67083 Strasbourg Cedex, France.

Abstract
We report results of quasi-elastic neutron scattering experiments on concentrated polyelectrolyte solutions in water without added salt. The polyion is sulphonated polystyrene, associated successively with sodium and tetramethylammonium counterions. In this second case, all possible configurations of deuterated and non deuterated charged components are tested. The quantities first derived from the experiment are the static polyion and counterion structure factors. Next, the coherent and incoherent contributions to the time-dependent structure factors are separated. The counterion self diffusion coefficient is determined from the incoherent scattering. A wave-dependent diffusion coefficient is derived from the coherent scattering. This coefficient is associated with the slow collective relaxation mode. The mobility related to this mode is found to have a characteristic wavevector dependence, settling thereby a question raised earlier about the dynamic structure factor of polyelectrolytes made of flexible coils. The attempt to observe the fast relaxation mode using the different labelled combinations failed.

Résumé
Des expériences de diffusion quasi élastique de neutrons, dont nous présentons les résultats, ont été réalisées sur des solutions aqueuses concentrées de polyélectrolytes, sans sel. Le polyion est du polystyrène sulfoné associé successivement à des contreions sodium et tétraméthylammonium. Dans ce dernier cas, nous avons étudié toutes les combinaisons possibles de polyions et contreions deutérés et non deutérés. Les grandeurs extraites des données expérimentales sont tout d'abord les facteurs de structure statique des polyions et des contreions. Les contributions cohérentes et incohérentes au facteur de structure dynamique sont ensuite séparées. Le coefficient d'autodiffusion des contreions est alors déterminé à partir de la diffusion incohérente. Un coefficient de diffusion dépendant du vecteur d'onde est obtenu à partir de la diffusion cohérente. Ce coefficient est lié au mode lent du processus collectif de relaxation. Nous trouvons que la mobilité associée à ce mode est une fonction du vecteur d'onde, ce qui répond à une question soulevée auparavant à propos du facteur de structure dynamique d'un polyélectrolyte flexible. Nous n'avons pas réussi à observer le mode rapide du processus de relaxation, malgré l'utilisation des différentes combinaisons de polyions et contreions marqués.

PACS
6125H - Macromolecular and polymer solutions; polymer melts; swelling.
6610C - Diffusion and thermal diffusion.

Key words
electrolytes -- liquid structure -- neutron diffraction examination of liquids -- polymer solutions -- self diffusion in liquids