$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
La difracción de rayos X es una técnica utilizada para determinar la estructura atómica y molecular de los materiales. Los sólidos tienen una estructura cristalina, que corresponde a una disposición microscópica de átomos que se repite periódicamente. Al replantear planos, se puede formar una estructura 3D de simetría específica.
Estas disposiciones estructurales dan como resultado una geometría de empaquetadura específica que dicta las propiedades físicas y químicas del material. Como la magnetización, la conductividad térmica o la maleabilidad. Los rayos X que reflejan los materiales pueden revelar los detalles internos de su estructura.
Este video ilustrará los principios generales de la difracción de rayos X en un material y cómo este fenómeno se utiliza en el laboratorio para determinar la estructura y la composición química de los materiales.
Para empezar, echemos un vistazo más de cerca a un cristal. Está formado por redes atómicas dispuestas en planos separados periódicamente por una distancia dhkl de unos pocos angstroms. H, k, l son índices de Miller, un conjunto de tres números enteros que constituyen un sistema de notación para identificar direcciones y planos dentro de los cristales. La estructura repetitiva más pequeña de un cristal se denomina célula unitaria. Diferentes ángulos, alfa, beta, gamma y longitudes a, b, c, de una celda unitaria que forma la red darán lugar a diferentes simetrías. Hay siete sistemas de cristal. Cúbicas, tetragonales, ortorrómbicos, romboédricos, monoclínicos, triclínicos y hexagonales.
La relación entre los parámetros de la celda unitaria y los índices de Miller se puede calcular para cada clase de cristal. La lambda electromagnética de longitud de onda puede tener dimensiones similares con las diferencias entre planos dentro de la red del cristal. Estos corresponden a longitudes de onda en el rango espectral de rayos X. Cuando las ondas de luz de rayos X irradian un cristal en un ángulo incidente theta, se propagan a través del cristal y encuentran puntos de red desde los que se desfractan. La Ley de Bragg relaciona estos parámetros donde n es un número entero que representa el orden armónico de la difracción. Para una lambda dada, solo ángulos específicos theta dan lugar a la difracción. Esta es la firma única de una estructura cristalina.
En un experimento, la muestra se gira y el detector que recoge los rayos X dispersos registra los picos de intensidad al alcanzar estos ángulos característicos. A continuación, se puede extraer el espaciado de la red DHKL para cada ángulo satisfaciendo la Ley de Bragg. Utilizando múltiples posiciones de pico difractadas correspondientes a varios valores DHKL distintos, los parámetros de la celda unitaria se pueden resolver de forma única.
Dos factores principales contribuyen a la intensidad relativa de los picos. En primer lugar, están las contribuciones no estructurales, que incluyen la capacidad del material para absorber luz de rayos X, y la geometría del experimento XRD. Estos se pueden tener en cuenta en el post-procesamiento de los datos experimentales. En segundo lugar, y lo más importante, la contribución estructural del material se traslada a las intensidades relativas de la DRX. Cada pico de difracción es, de hecho, la suma de todas las amplitudes dispersas de múltiples trayectorias de rayos difractadas por todos los átomos únicos en una celda unitaria. Si las luces dispersas están en fase, hay interferencia construida. Mientras que si están desfasados, hay interferencia destructiva. Estas interferencias afectan directamente a la amplitud de los picos XRD, que representan los planos HKL del cristal.
Ahora veremos cómo se aplican estos principios en un experimento real de difracción de rayos X.
Antes de comenzar, inspeccione cuidadosamente el instrumento XRD y evalúe su estado y seguridad. Los usuarios de XRD deben recibir capacitación en seguridad radiológica básica antes de tener acceso al instrumento. A continuación, proceda con la preparación de la muestra. En este experimento, utilizamos una muestra de polvo de níquel en forma de gránulo prensado.
Es importante que la muestra no sea delgada y que sea al menos tres veces más gruesa que la longitud de atenuación de las radiografías. Tenga en cuenta que el siguiente procedimiento se aplica a un instrumento XRD específico y su software asociado, y puede haber algunas variaciones cuando se utilizan otros instrumentos.
Cargue la muestra en la etapa giratoria de muestras y bloquee la muestra en su posición, asegurándose de que el lado irradiado de la muestra sea paralelo a la etapa de muestra. Utilice una máscara para ajustar el tamaño del haz de rayos X del instrumento de acuerdo con el diámetro de la muestra. En el ángulo de incidencia más pequeño, el haz debe tener una huella menor que el ancho de la muestra.
Ahora es el momento de elegir los parámetros de adquisición. Primero, seleccione el rango de ángulo para el escaneo XRD. Por lo general, el rango va de 15 a 90 grados. A continuación, seleccione el tamaño del paso de grados, así como el tiempo de integración en cada ángulo escaneado.
A continuación, proceda a la adquisición de datos. Después del escaneo, se obtiene una gráfica de la intensidad en función del ángulo con theta. A partir de este escaneo inicial, seleccione picos específicos y determine las posiciones de los picos.
Repita la adquisición y concéntrese esta vez en un rango de escaneo más estrecho alrededor de picos específicos. Usar un tamaño de paso más pequeño en ángulo para obtener datos de mayor resolución. Una vez finalizada la adquisición de datos, se pueden analizar los datos para identificar la estructura del material.
Utilizando el software del instrumento y la biblioteca de la base de datos, cada pico del espectro se identifica y se asocia a una simetría específica de la disposición de cristales. En este caso particular de la muestra de polvo de níquel, el espectro muestra un primer pico correspondiente a una simetría de uno, uno, uno.
El segundo pico está asociado a una simetría de dos ceros y así sucesivamente. Luego, el software determina que esta combinación específica de simetrías corresponde a una estructura cúbica centrada en la cara e identifica que la muestra es un polvo de níquel.
La difracción de rayos X es un método estándar para determinar la presencia o ausencia de orden cristalográfico en los materiales. A menudo se utiliza para obtener una variedad de otra información estructural con respecto a la tensión interna y los defectos en un cristal, o múltiples fases cristalográficas en materiales compuestos. La técnica XRD también se utiliza en biología para determinar la estructura y la orientación espacial de macromoléculas biológicas como proteínas y ácidos nucleicos.
En particular, así es como se ha descubierto la estructura de doble hélice del ADN, lo que llevó al Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1962. El estudio de la geoquímica de los minerales, ya sea con fines mineros o incluso para la exploración planetaria, también hace uso de la técnica XRD. Pensemos en el rover Curiosity en Marte, que tiene entre sus diez instrumentos científicos un detector XRD para analizar la composición del suelo marciano.
Acabas de ver la introducción de Jove a la difracción de rayos X. Ahora debe comprender la estructura cristalina de un sólido y los principios de la difracción de rayos X. También debes saber cómo se utiliza la técnica XRD en el laboratorio para obtener la estructura y composición química de los materiales.
¡Gracias por mirar!