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La difracción de rayos X es una técnica analítica común utilizada en la ciencia de los materiales y la bioquímica para determinar las estructuras de los cristales.
Traza los caminos de los rayos X a través de los cristales para sondear la estructura. Hay dos técnicas principales. La difracción de rayos X en polvo determina las fases y la pureza de una especie cristalina. La difracción de rayos X individuales identifica los átomos de un cristal y sus ubicaciones, así como las densidades de electrones, las longitudes de enlace y los ángulos.
Este video ilustra el funcionamiento de un difractómetro de rayos X, los procedimientos para la difracción de rayos X de un solo cristal y en polvo, y analiza algunas aplicaciones.
Comenzaremos examinando el concepto de estructura cristalina y explorando cómo interactúan los rayos X con los cristales.
Un cristal es una configuración periódica de átomos, es decir, un patrón geométrico de átomos que se repiten a intervalos regulares. El elemento repetitivo más pequeño de un cristal se llama "celda unitaria". Se describe por su estructura de empaquetadura, dimensiones y ángulos de unión. Los "índices de Miller" describen cualquier sección transversal plana ficticia de la celda unitaria.
Los rayos X son una forma de ondas electromagnéticas cuyas longitudes de onda son similares al espaciado atómico de los cristales. Cuando un solo rayo X incide en un átomo individual, se difracta. Cuando dos rayos X coherentes inciden en átomos en diferentes planos, los rayos X difractados interfieren, lo que da lugar a señales constructivas o destructivas.
El patrón de difracción de una muestra cristalina en polvo se compone de manchas intensas, que forman anillos de interferencia constructiva. Los ángulos en los que se producen estos puntos corresponden al espaciamiento de los átomos en ese plano. El espaciado se puede determinar usando la Ley de Bragg.
Ahora que hemos aprendido sobre los cristales y los patrones de difracción de rayos X, veamos cómo funciona un difractómetro de rayos X.
Un difractómetro de rayos X consta de tres componentes básicos: una fuente de rayos X, una muestra y un detector. Todos los componentes están orientados en una disposición circular coplanar con el portamuestras en el centro. La fuente generalmente contiene un objetivo de cobre que, cuando es bombardeado por electrones, emite un haz de rayos X colimados. El haz se dirige a la muestra, que refracta los rayos X. A continuación, la muestra y el detector se giran en direcciones opuestas, hasta que se determinan los ángulos de intensidad de los rayos X.
La alta intensidad de rayos X corresponde a la interferencia constructiva de un plano cristalográfico tanto en la difracción de rayos X monocristalina como en la difracción de rayos X en polvo. La difracción de rayos X en polvo revela la estructura cristalina de la muestra, mientras que la difracción de rayos X de un solo cristal revela adicionalmente el contenido químico y la ubicación de los átomos.
Ahora, veamos un ejemplo práctico de difractometría de rayos X.
La difracción de rayos X de un solo cristal requiere cristales de alta calidad sin impurezas, límites de grano u otros defectos interfaciales. Lleve los cristales del compuesto órgano-molibdeno al microscopio óptico para analizarlo.
Comience agregando una gota de aceite de paratono a un portaobjetos de vidrio limpio. A continuación, añada una pequeña cantidad de aceite de paratone a una espátula y coloque algunos cristales del vial de cristalización en un portaobjetos.
Examine los cristales bajo el microscopio y seleccione un cristal con bordes uniformes y bien definidos. Una vez que se elige un cristal ideal, use un lazo Kapton para recoger el cristal, asegurándose de que poco aceite se adhiera al cristal.
A continuación, abra las puertas del difractómetro para cargar la muestra. Fije el bucle Kapton a la cabeza del gonoímetro, centrando el cristal con respecto al haz de rayos X. Luego cierre las puertas.
Abra el software de cristalografía de rayos X y ejecute una breve secuencia de recopilación de datos que establezca la estructura de la celda unitaria. En función de estos datos, seleccione una estrategia de recopilación de datos y ejecute la recopilación de datos completa. Una vez que se haya recopilado un conjunto completo de datos, elabore los datos utilizando un programa adecuado y refínelos.
En comparación con la difracción de rayos X de un solo cristal, la difracción de rayos X en polvo es una técnica de caracterización masiva que no requiere cristales individuales.
Elija un portamuestras del tamaño adecuado y una placa de difracción que no afecte a las lecturas en los ángulos de interés.
Coloque un tamiz de malla fina sobre la placa de difracción. Agregue con cuidado 20 mg de muestra al tamiz, manteniendo la muestra sobre el plato. Golpee el tamiz en la mesa de trabajo hasta que se forme una monocapa de polvo.
Fije la placa de difracción en el portamuestras. Abra las puertas del difractómetro y monte la muestra. Si el soporte de muestra tiene clavijas de bloqueo, asegúrese de que las clavijas estén enganchadas y que el soporte de muestras esté seguro antes de cerrar las puertas.
Utilizando un software adecuado, cargue un método estándar de recopilación de datos. Introduzca un rango de ángulos de escaneo adecuado para el material. A continuación, introduzca el tiempo de escaneo; Un tiempo de escaneo más largo permite una mejor resolución. A continuación, pulse "iniciar".
Ahora, comparemos los resultados obtenidos de la difracción de rayos X de cristal simple y polvo del complejo órgano-molibdeno.
A partir de los datos de rayos X de un solo cristal, se genera un modelo estructural del mapa de densidad de electrones, que se utiliza para obtener longitudes y ángulos de enlace determinados experimentalmente dentro de la estructura.
Además, el polvo XRD proporciona información adicional sobre el compuesto. La línea de base plana del espectro indica que la muestra utilizada es altamente cristalina, mientras que las líneas de base curvas son indicativas de materiales amorfos.
La difracción de rayos X es una valiosa herramienta de caracterización en prácticamente todos los campos de la ciencia de los materiales y, por lo tanto, desempeña un papel en diversas aplicaciones.
Un componente importante de la conservación del arte patrimonial incluye la comprensión de cómo se produjeron las obras de arte y por qué se corroen. Los desarrollos recientes en difracción de rayos X estudian la corrosión mediante pruebas destructivas de menos de 1 mg de muestra. Dado que los productos de corrosión rara vez son monocristalinos, se requiere difracción de rayos X en polvo. Los análisis típicos ocurren a las 2? ¿Entre 5 y 85? grados superiores a 20 horas. Las ubicaciones de los átomos dentro del cristal pueden optimizarse algorítmicamente, proporcionando información sobre la ubicación y la naturaleza de los ataques químicos.
Las películas de material que van desde nanómetros hasta micrómetros de espesor tienen capacidades protectoras, eléctricas y ópticas únicas que difieren de las de los materiales a granel. La difracción de rayos X proporciona información sobre el grosor de la película, la densidad y la textura de la superficie. Se utiliza para determinar la tensión de la película y la probabilidad de falla y rotura de la película. También ayuda a caracterizar el comportamiento óptico de las películas, ya que la absorción depende en gran medida de la estructura cristalina. Por lo tanto, se utiliza para caracterizar sensores de luz de película delgada y células fotovoltaicas.
Acabas de ver la introducción de JoVE a la difracción de rayos X de un solo cristal y en polvo. Ahora debería estar familiarizado con los principios de la difractometría de rayos X, un procedimiento para obtener patrones de difracción y algunas aplicaciones. Como siempre, ¡gracias por mirar!
