X射线粉末衍射在保护科学:迈向文物艺术品腐蚀产物的常规晶体结构测定

该方法的总体目标是获得微纳米晶体和腐蚀产物的晶体结构知识，以更好地了解遗产艺术品的产生和衰变反应，并允许对混合物进行全面定量分析。这种方法可以帮助回答保护科学领域的关键问题，例如艺术品是如何产生的以及为什么会被腐蚀。这种技术的主要优点是它不需要单晶，只需要少量的微晶和粉末。

虽然这种方法可以提供对保护科学的见解，但它也可以应用于其他领域，例如材料科学、无机化学或冶金学。当我们研究最近被描述为玻璃诱导金属腐蚀的渐变现象时，我们发现了这种方法的想法。演示样品制备和数据收集的是我们实验室的化学技术助理 Stefani 女士。

在数码显微镜下，用细针小心地挑选不到 1 毫克的样品，其中 1 颗来自历史悠久的表扣上的不透明蓝绿色凸圆面宝石。然后，用研杵在小玛瑙研钵中小心研磨样品。将样品分布在两个薄的 X 射线透明聚酰胺箔之间，并将它们安装在具有直径为 8 毫米的中心开口的透射样品架上。

将透射样品架固定在衍射仪的 θ 圆上。在 5 到 85 度 2 θ 范围内测量样品 20 小时，在透射模式下，步长为 0.015 度 2 θ。启用旋转以实现更好的粒子统计信息。

下一步是使用低阶 Sovietske Golle 多项式的一阶和二阶导数执行自动峰值搜索。首先双击图标启动软件程序，然后单击 加载扫描文件.使用下拉菜单选择 xy 数据文件，然后双击相应的文件。

现在扩展文件的范围。单击 Emission Profile 选项卡，选择 Load Emission Profile 并选择所需的配置文件。接下来，单击"自动插入峰值"按钮并取消单击"删除 K Alpha 2 峰值"，将"峰值宽度"设置为 0.12 后，将"噪声阈值"设置为 1.74，然后按"添加峰值"按钮。

放大模式，移动到所需的峰值部分，然后打开 peak details 窗口。通过按鼠标左键设置峰值。接下来，单击 Peaks Phase（峰值阶段）。

单击"位置"，然后左键单击黄色标记的列，将所有峰标记为黄色，复制选择并选择"创建索引范围"。取消选择范围，然后选择 Range Indexing。然后选择所有 bravais 晶格。

然后按 Run 按钮。和 Yes 保留索引解决方案。按 Solutions 按钮，然后通过左键单击按钮 1 突出显示第一个解决方案。

现在右键单击突出显示的解决方案并复制选择。取消选择 Range Indexing（范围索引），然后选择范围。此时，按 Add hkl Phase（添加 hkl 相位），展开范围，然后展开 hkl Phase（hkl 相位）。

在 Indexing Details （索引详细信息） 下，选择 Paste Indexing Details （粘贴索引详细信息）。在 Background （背景） 下，将 Order （订单） 更改为 8，然后选择 1/X Bkg term （1/X Bkg 术语）。接下来单击 Instrument。

将主半径和次半径设置为 217.5 mm 后，在 Point Detector 下选择 Receiving Slit Width。在 Full Axial Model （全轴模型） 下，将源、样品和 RS 长度设置为 6 mm。现在单击 Corrections 并选择 0 error。

选择 LP factor （LP 因子） 并将值设置为 27.3。然后单击 Miscellaneous 并将 Convolution Steps 设置为 2。选择 Start X （开始 X） 并将值设置为 8，然后选择 Finish X （完成 X） 并将值设置为 75。

在 Click Peaks Phase 下，选择 Delete Peaks Phase，然后单击 Yes。此时，单击 hkl Phase，然后选择 Microstructure。选择 Cry size L 后，选择 Cry size G，选择 Strain L，选择 Strain G，然后按 Run（运行）按钮。

最后，创建一个适合电荷翻转的吹嘘峰值列表。对于晶体结构测定，使用包含切线公式支持的电荷翻转方法来找到大多数较重原子的位置。首先，在 File （文件） 下，选择 Close All （全部关闭） ，然后单击 Yes（是）。

在 Launch （启动） 下，选择 Launch Kernel （启动内核）。从 Launch 下拉菜单中，选择 Set INP file，然后选择准备好的输入文件。现在按下 Run 按钮，在大约 20， 000 个周期后按下 Stop 按钮并单击 OK。然后，按下显示所选原子的临时输出窗口按钮，然后按 Cloud options 对话框按钮。

将 N 设置为 pick 为 45。选择 width symmetry 并按下 Pick 按钮。复制临时输出，将其保存为文本文件，然后关闭 charge flipping 图形窗口。

下一步是应用模拟退火的全局优化方法来查找所有缺失的非氢原子的位置。从启动下拉菜单中，选择 Set INP file （设置 INP 文件），然后选择准备好的输入文件。按下 Run 按钮，经过数千次循环后按下 Stop 按钮并单击 Yes。

最后一步是关闭模拟退火，并通过注释掉相应的命令切换到 Reitfeld 细化模式。在 Launch （启动） 下，选择 Set INP file （设置 INP 文件），然后选择准备好的输入文本文件。最后，按下 Run 按钮并单击 Yes。

高分辨率 X 射线粉末衍射用于确定历史物体上两种长期已知的腐蚀产物的晶体结构。使用最先进的实验室高分辨率透射粉末衍射仪和使用单色 X 射线的 Debye Scherrer 几何结构进行标准测量。样品 1 的晶体结构测定是通过迭代地将倒易和直接空间方法与差分傅里叶分析相结合来进行的。

这些化合物的晶体结构的测定证实了确切的组成，提高了我们对衰变机制的理解，并允许对腐蚀产物进行全面的定量相分析。一旦掌握了这项技术，如果执行得当，可以在一天内完成。按照此程序，可以执行其他方法，如 DTA、拉曼光谱和 EDX，以获得有关成分、键合、可能的相变和稳定性的补充和附加信息。

观看此视频后，您应该对如何制备样品、记录适当的粉末衍射数据、进行数据缩减以及确定微晶材料的晶体结构有很好的了解。开发后，这项技术将为保护科学领域的研究人员铺平道路，并且它是非破坏性的、快速的、易于使用的。