Diffusive motions in 2D phases of ethane adsorbed on graphite

Abstract
The diffusive rotational and translational mobility of a simple rod-like molecule, i.e. ethane (C2H6) adsorbed on graphite (0001), has been studied by quasi-elastic neutron scattering, between 5 and 122 K. The motion of the molecules packed in two typical two-dimensional (2D) solids has been investigated One solid (S1) has a herring-bone structure with molecules lying down on the graphite substrate. The second solid (S 3) of higher density is made of molecules standing up on the adsorbing surface. With increasing temperature, a rotational transition is observed, between the rotationally ordered solids and 2D crystals where the C2 H6 molecules exhibit uniaxial rotations about the C-C axis. The characteristic times for these rotations have been measured. At higher temperatures, the S1 and S3 solids melt The molecules in the higher density phase keep their uniaxial rotational motion and in addition exhibit a Brownian diffusion with diffusion coefficient ranging from 2 to 14 x 10-6 cm2. s-1 at 87 and 122 K respectively. For the S1 melted solid, the rotational motion becomes isotropic and the diffusion coefficient ranges from 0.4 x 10-6 Cm2.s-1 at 71.4 K to 50 x 10-6 cm2 . s-1 at 122 K. The activation energy of translational diffusion is about 1.4 kcal. mole-1. These results are compared with the mobility of C2H6 in its bulk phases.

Résumé
On étudie ici, par diffusion quasi-élastique de neutrons, entre 5 et 122 K, la mobilité diffusive rotationnelle et translationnelle d'une molécule simple allongée, l'éthane adsorbé sur les faces (0001) du graphite. Le mouvement des molécules arrangées dans deux réseaux typiques bidimensionnels (2D) a été analysé. L'un des solides, S 1' présente une structure en chevrons avec ses molécules couchées sur la surface du graphite. L'autre, S3, est plus dense et est constitué de molécules debout sur la surface adsorbante. Quand on augmente la température, on observe une transition rotationnelle au cours de laquelle les molécules des deux solides subissent un mouvement de rotation uniaxial autour de leur axe carbone-carbone. Les temps caractéristiques de ces rotations ont été mesurés. A plus haute température, les solides S1 et S3 fondent. Les molécules de S3 conservent leur mouvement de rotation uniaxial auquel se superpose une diffusion brownienne dont le coefficient de diffusion varie de 2 à 14 x 10-6 cm2. s-1 entre 87 et 122 K. Par contre, les molécules de S1 effectuent un mouvement de rotation isotrope auquel s'ajoute toujours une diffusion brownienne dont le coefficient de diffusion varie de 0,4 à 50 x 10-6 cm2. s-1 entre 71,4 et 122 K. L'énergie d'activation de translation correspondante est de l'ordre de 1,4 kcal. mole-1. Ces résultats sont comparés à ceux décrivant la mobilité de l'éthane dans ses diverses phases tridimensionnelles.