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Die Röntgenbeugung ist eine gängige Analysetechnik, die in den Materialwissenschaften und der Biochemie eingesetzt wird, um die Strukturen von Kristallen zu bestimmen.
Es verfolgt den Weg der Röntgenstrahlung durch Kristalle, um die Struktur zu untersuchen. Es gibt zwei Haupttechniken. Die Pulver-Röntgenbeugung bestimmt die Phasen und die Reinheit einer kristallinen Spezies. Die Einzelröntgenbeugung identifiziert die Atome in einem Kristall und ihre Positionen sowie Elektronendichten, Bindungslängen und -winkel.
Dieses Video veranschaulicht die Funktionsweise eines Röntgendiffraktometers, Verfahren für die Einkristall- und Pulver-Röntgenbeugung und erläutert einige Anwendungen.
Wir beginnen damit, das Konzept der Kristallstruktur zu untersuchen und zu untersuchen, wie Röntgenstrahlen mit Kristallen interagieren.
Ein Kristall ist eine periodische Konfiguration von Atomen, d.h. ein geometrisches Muster von Atomen, die sich in regelmäßigen Abständen wiederholen. Das kleinste sich wiederholende Element eines Kristalls wird als "Elementarzelle" bezeichnet. Es wird durch seine Packungsstruktur, Abmessungen und Bindungswinkel beschrieben. "Miller-Indizes" beschreiben fiktive planare Querschnitte der Elementarzelle.
Röntgenstrahlen sind eine Form von elektromagnetischen Wellen, deren Wellenlängen dem atomaren Abstand in Kristallen ähneln. Wenn ein einzelner Röntgenstrahl auf ein einzelnes Atom trifft, wird er gebeugt. Wenn zwei kohärente Röntgenstrahlen auf Atome in verschiedenen Ebenen treffen, interferieren die gebeugten Röntgenstrahlen, was zu konstruktiven oder destruktiven Signalen führt.
Das Beugungsmuster einer pulverkristallinen Probe besteht aus intensiven Flecken, die Ringe aus konstruktiver Interferenz bilden. Die Winkel, in denen diese Punkte auftreten, entsprechen dem Abstand der Atome in dieser Ebene. Der Abstand kann mit Hilfe des Braggschen Gesetzes bestimmt werden.
Nachdem wir nun etwas über Kristalle und Röntgenbeugungsmuster gelernt haben, schauen wir uns an, wie ein Röntgendiffraktometer funktioniert.
Ein Röntgendiffraktometer besteht aus drei Grundkomponenten: einer Röntgenquelle, einer Probe und einem Detektor. Alle Komponenten sind in einer koplanaren, kreisförmigen Anordnung ausgerichtet, wobei sich der Probenhalter in der Mitte befindet. Die Quelle enthält in der Regel ein Kupfertarget, das, wenn es von Elektronen beschossen wird, einen Strahl kollimierter Röntgenstrahlung aussendet. Der Strahl wird auf die Probe gerichtet, wodurch die Röntgenstrahlen gebrochen werden. Die Probe und der Detektor werden dann in entgegengesetzte Richtungen gedreht, bis die Winkel der Röntgenintensität bestimmt sind.
Eine hohe Röntgenintensität entspricht der konstruktiven Interferenz durch eine kristallographische Ebene sowohl bei der Einkristall- als auch bei der Pulver-Röntgenbeugung. Die Pulver-Röntgenbeugung zeigt die Kristallstruktur der Probe, während die Einkristall-Röntgenbeugung zusätzlich den chemischen Gehalt und die Positionen der Atome aufdeckt.
Sehen wir uns nun ein praktisches Beispiel für die Röntgendiffraktometrie an.
Die einkristalline Röntgenbeugung erfordert hochwertige Kristalle ohne Verunreinigungen, Korngrenzen oder andere Grenzflächendefekte. Bringen Sie die Kristalle der Organo-Molybdän-Verbindung zum Lichtmikroskop, um sie zu analysieren.
Beginnen Sie damit, einen Tropfen Paratone-Öl auf einen sauberen Objektträger zu geben. Geben Sie dann eine kleine Menge Paratonöl in einen Spatel und schöpfen Sie einige Kristalle aus dem Kristallisationsfläschchen auf einen Objektträger.
Untersuchen Sie die Kristalle unter dem Mikroskop und wählen Sie einen Kristall mit gleichmäßigen, gut definierten Kanten aus. Sobald Sie einen idealen Kristall ausgewählt haben, verwenden Sie eine Kaptonschlaufe, um den Kristall aufzunehmen, um sicherzustellen, dass wenig Öl am Kristall haftet.
Öffnen Sie anschließend die Diffraktometertüren, um die Probe zu laden. Befestigen Sie die Kapton-Schlaufe am Gonoimeterkopf und zentrieren Sie den Kristall in Bezug auf den Röntgenstrahl. Schließen Sie dann die Türen.
Öffnen Sie die Röntgenkristallographie-Software und führen Sie eine kurze Datenerfassungssequenz aus, die die Struktur der Elementarzelle festlegt. Wählen Sie auf der Grundlage dieser Daten eine Datenerfassungsstrategie aus, und führen Sie die vollständige Datenerfassung durch. Sobald ein vollständiger Datensatz erhoben wurde, bearbeiten Sie die Daten mit einem geeigneten Programm und verfeinern Sie sie.
Im Vergleich zur einkristallinen Röntgenbeugung ist die Pulverröntgenbeugung eine Bulk-Charakterisierungstechnik, die ohne Einkristalle auskommt.
Wählen Sie einen Probenhalter in geeigneter Größe und eine Beugungsplatte, die die Messwerte in den interessierenden Winkeln nicht beeinflusst.
Legen Sie ein feinmaschiges Sieb über die Beugungsplatte. Geben Sie vorsichtig 20 mg Probe in das Sieb und halten Sie die Probe über der Platte. Klopfen Sie mit dem Sieb auf die Tischplatte, bis sich eine Monoschicht aus Pulver bildet.
Befestigen Sie die Beugungsplatte im Probenhalter. Öffnen Sie die Türen des Diffraktometers und montieren Sie die Probe. Wenn die Probenhalterung über Sicherungsstifte verfügt, stellen Sie sicher, dass die Stifte eingerastet und der Probenhalter fest sitzt, bevor Sie die Türen schließen.
Laden Sie mit einer geeigneten Software eine Standard-Datenerfassungsmethode. Geben Sie einen Bereich von Scanwinkeln ein, die für das Material geeignet sind. Geben Sie dann die Scanzeit ein. Eine längere Scanzeit ermöglicht eine bessere Auflösung. Drücken Sie dann auf "Start".
Vergleichen wir nun die Ergebnisse der Einkristall- und Pulver-Röntgenbeugung des Organo-Molybdän-Komplexes.
Aus den Einkristall-Röntgendaten wird ein Strukturmodell der Elektronendichtekarte generiert, mit dem experimentell ermittelte Bindungslängen und -winkel innerhalb der Struktur erhalten werden.
Darüber hinaus liefert das Pulver XRD zusätzliche Informationen über die Verbindung. Die flache Basislinie des Spektrums deutet darauf hin, dass die verwendete Probe hochkristallin ist, während gekrümmte Basislinien auf amorphe Materialien hinweisen.
Die Röntgenbeugung ist ein wertvolles Instrument zur Charakterisierung in praktisch jedem Bereich der Materialwissenschaften und spielt daher in vielfältigen Anwendungen eine Rolle.
Ein wichtiger Bestandteil der Konservierung von Kulturerbe ist das Verständnis, wie Kunstwerke hergestellt wurden und warum sie korrodieren. Jüngste Entwicklungen in der Röntgenbeugung untersuchen die Korrosion, indem weniger als 1 mg Probe destruktiv getestet werden. Da Korrosionsprodukte selten monokristallin sind, ist eine Pulver-Röntgenbeugung erforderlich. Typische Analysen finden bei 2? zwischen 5-85? Grad über 20 Stunden. Die Positionen der Atome innerhalb des Kristalls können algorithmisch optimiert werden, was Aufschluss über den Ort und die Art chemischer Angriffe gibt.
Folien aus Materialien mit einer Dicke von Nanometern bis Mikrometern haben einzigartige schützende, elektrische und optische Fähigkeiten, die sich von denen von Schüttgütern unterscheiden. Die Röntgenbeugung gibt Aufschluss über die Schichtdicke, -dichte und -beschaffenheit. Es wird verwendet, um die Folienspannung und die Wahrscheinlichkeit von Filmversagen und -bruch zu bestimmen. Es hilft auch, das optische Verhalten von Filmen zu charakterisieren, da die Absorption weitgehend von der Kristallstruktur abhängt. Es wird daher zur Charakterisierung von Dünnschicht-Lichtsensoren und Photovoltaikzellen eingesetzt.
Sie haben gerade die Einführung von JoVE in die Einkristall- und Pulver-Röntgenbeugung gesehen. Sie sollten nun mit den Prinzipien der Röntgendiffraktometrie, einem Verfahren zur Erstellung von Beugungsmustern und einigen Anwendungen vertraut sein. Wie immer vielen Dank fürs Zuschauen!
