Name: crystal structure using x-ray diffraction
Uploaded: 2023-04-30T07:02:53.000Z
Duration: 9 min 31 s
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Ohio’s Learning Standards and Model Curriculum

9-12

Physical Geology

Minerals

Crystallinity (crystal structure)

X-ray Diffraction

La procédure suivante s'applique à un instrument XRD spécifique et à son logiciel associé, et il peut y avoir quelques variations lorsque d'autres instruments sont utilisés.
<ol><li>Nous examinerons un échantillon de poudre de Ni sur un instrument Panalytical Alpha-1 XRD.</li>
	<li>Tout d'abord, choisissez le masque pour fixer la taille du faisceau en fonction de votre diamètre d'échantillon. Le faisceau ne doit pas avoir une empreinte plus grande que l'échantillon à la plus petite valeur de la valeur (généralement 70-100). Pour un échantillon de largeur, la taille du faisceau doit être 'lt; 'sin'.</li>
	<li>Chargez l'échantillon à l'étape de spinner de l'échantillon et verrouillez l'échantillon en position. Le spinner d'échantillon aide à randomiser spatialement l'exposition de l'échantillon à la source de rayon X.</li>
	<li>Choisissez la plage d'angle pour votre scan XRD. Par exemple 15-90 degrés est une gamme typique.</li>
	<li>Choisissez une taille d'étape, c'est-à-d. l'augmentation en 2, et l'intégration (compte) le temps. En général, une taille d'étape de 0,05 degré et une intégration de 4 secondes est la valeur par défaut pour un balayage grand angle.</li>
	<li>Une fois que toutes les positions de pointe sont déterminées à travers cette analyse initiale, les scans ultérieurs peuvent se concentrer sur une plage d'analyse plus étroite autour de pics spécifiques en utilisant une taille d'étape plus petite dans l'angle si des données de résolution plus élevée de ces pics sont souhaitées.</li>
</ol>

Il s'agit d'une démonstration d'une expérience XRD standard. Le matériau examiné dans cette expérience était sous forme de poudre, mais XRD fonctionne aussi bien avec le morceau solide de matériel tant que l'échantillon a une surface plane qui peut être mise parallèlement au plan de l'étape de l'échantillon.
XRD est une méthode assez omniprésente pour déterminer la présence (ou l'absence) de l'ordre cristallographique dans les matériaux. Au-delà de l'application standard de la détermination de la structure cristalline, XRD est souvent utilisé pour obtenir une variété d'autres informations structurelles telles que:
<ol><li>Que la structure d'un matériau soit amorphe ou non (caractérisée par une large bosse dans l'intensité de diffraction et un manque de pics cristallologiques discernables),</li>
	<li>Que l'échantillon soit un matériau composite composé de plusieurs phases cristallographiques et, dans l'affirmative, déterminer la fraction de chaque phase,</li>
	<li>Déterminer si un matériau est un composite amorphe/cristallin</li>
	<li>Déterminer la taille du grain/particule du matériau,</li>
	<li>Déterminer le degré de texture (orientation préférée des grains) dans le matériau.</li>
</ol>

Relation entre les positions de pointe diffractées et la structure cristalline :
Lorsque des ondes lumineuses de longueur d'onde suffisamment petite sont accidentelles sur un treillis de cristal, elles diffractent à partir des points de treillis. À certains angles d'incidence, les ondes parallèles diffractées interfèrent de manière constructive et créent des pics d'intensité détectables. W.H. Bragg a identifié la relation illustrée à la figure 1 et a dérivé une équation correspondante :
n '2dhkl sin '[1] 
Voici la longueur d'onde des rayons X utilisés, dhkl est l'espacement entre un ensemble particulier d'avions avec (hkl) indices Miller, et est l'angle d'incidence auquel un pic de diffraction est mesuré. Enfin, n est un entier qui représente l'ordre harmonique de la diffraction. À n'1, par exemple, nous avons la première harmonique, ce qui signifie que le chemin des rayons X diffracté à travers le cristal (équivalent à 2dpéché hkl ) est exactement 1,tandis qu'à n '2, le chemin diffracted est de 2. Nous pouvons généralement supposer n '1, et, en général, n '1 pour 'lt; péché-1(2 '/dh'k'l'), où h'k'l' sont les indices Miller des avions qui montrent le premier pic (à la valeur la plus basse de 2 ') dans une expérience de diffraction. Les indices Miller sont un ensemble de trois entiers qui constituent un système de notation pour identifier les directions et les plans à l'intérieur des cristaux. Pour les directions, les indices [h k l] Miller représentent la différence normalisée dans les coordonnées respectives de x, y et z (dans un système de coordonnées cartésiennes) de deux points le long de la direction. Pour les avions, les indices Miller (h k l) d'un avion sont simplement les valeurs h k l de la direction perpendiculaire à l'avion.
Dans une expérience XRD typique en mode de réflexion, la source de rayons X est fixée en position et l'échantillon est tourné en fonction du faisceau de rayons X au-dessus de l'écran. Un détecteur capte le faisceau diffracté et doit suivre la rotation de l'échantillon en tournant à deux fois la vitesse (c.-à-d. pour un angle d'échantillon donné de - l'angle du détecteur est de 2 ). La géométrie de l'expérience est illustrée schématiquement dans la figure 1.
<img alt="Figure 1" src="/files/ftp_upload/10446/10446fig1v2.jpg"> Figure 1 : Illustration de la loi de Bragg.
Lorsqu'un pic d'intensité est observé, l'équation 1 est nécessairement satisfaite. Par conséquent, nous pouvons calculer les espacements d en fonction des angles où ces pics sont observés. En calculant les espacements d de plusieurs pics, la classe de cristal et l'échantillon de matériaux de paramètres de structure cristalline peuvent être identifiés à l'aide d'une base de données comme le manuel de recherche Hanawalt ou les bibliothèques de base de données disponibles avec le logiciel XRD utilisé.
Nous supposerons que l'échantillon à l'étude n'est pas un seul cristal. Si l'échantillon était un seul cristal avec un plan particulier (hôkl) parallèle à la surface de l'échantillon, il faudrait qu'il soit tourné jusqu'à ce que l'état de Bragg pour le (hôklô) soit satisfait afin de voir un pic d'intensité diffractée (pour n '1) avec des pics harmoniques potentiellement plus élevés (hôkl) (par exemple pour n '2) également détectables à des angles plus élevés. À tous les autres angles, il n'y aurait pas de pics dans un seul échantillon de cristal. Supposons plutôt que l'échantillon soit polycrystalline ou qu'il s'agit d'une poudre, avec un nombre statistiquement significatif de grains cristallins ou de particules de poudre éclairées par le faisceau de rayons X incident. Selon cette hypothèse, l'échantillon se compose de grains orientés au hasard, avec une probabilité statistique similaire pour tous les plans de treillis possibles à diffract.
Les relations entre le dhkl et les paramètres cellulaires unitaires sont indiquées ci-dessous dans les équations 2-7 pour les 7 classes de cristal, cubique, tétine, hexagonale, rhombohedral, orthorhombe, monoclinique et triclinique. Les paramètres des cellules unitairesse composent de longueurs de(a,b,c) et les angles entre les bords des cellules unitaires pour les 7 classes de cristaux (Figure 1x montre l'exemple de l'une des classes de cristaux : la structure tetragonale où a'b 'c, et '900). À l'aide de plusieurs positions de pointe diffractées (c.-à-d. plusieurs valeurs dhkl distinctes), les valeurs des paramètres cellulaires unitaires peuvent être résolues de façon unique.
<img alt="Figure 2" src="/files/ftp_upload/10446/10446fig2.jpg"> Figure 2 : La structure tetragonale comme l'une des sept classes de cristal.
Cubic (a b 'c'à c; ''900'):
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/10446/10446eq1.jpg" style="opacity: 0.9; font-size: 14px;">[2]
Tetragonal (a 'b 'c'; '' ''900'):
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/10446/10446eq2.jpg" style="opacity: 0.9; font-size: 14px;">[3]
Hexagonal (a b 'c; '900;' 1200):
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/10446/10446eq3.jpg" style="opacity: 0.9; font-size: 14px;">[4]
Orthorhombic (a 'b 'c; ''' ''900'):
<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/10446/10446eq4.jpg" style="opacity: 0.9; font-size: 14px;">[5]
Rhombohedral (a 'b 'c'; ''900'):
<img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/10446/10446eq5.jpg" style="opacity: 0.9; font-size: 14px;">[6]
Monoclinique (a 'b 'c; '900 ') :
<img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/10446/10446eq6.jpg" style="opacity: 0.9; font-size: 14px;">[7]
Triclinique (a 'b 'c; '900):
      <img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/10446/10446eq8v2.jpg">[8]
Relation entre les intensités maximales diffractées et la structure cristalline :
Ensuite, nous examinons les facteurs qui contribuent à l'intensité dans un modèle XRD. Les facteurs peuvent être ventilés en 1) la contribution à la dispersion qui résulte directement des aspects structurels uniques du matériau (les types et les emplacements spécifiques des atomes de diffusion dans la structure) et 2) ceux qui ne sont pas spécifiques au matériau. Dans le premier cas, il y a deux facteurs : le « facteur d'absorption » et le « facteur structurel ». Le facteur d'absorption dépend principalement de la capacité du matériau à absorber les rayons X sur leur chemin à l'intérieur et à l'extérieur. Ce facteur n'a pas de dépendance tant que les échantillons ne sont pas minces (l'échantillon doit être 3 fois plus épais que la longueur d'atténuation des rayons X). En d'autres termes, la contribution par le facteur d'absorption à l'intensité des différents pics est constante. Le « facteur de structure » affecte directement l'intensité de pics spécifiques en conséquence directe de la structure. Les autres facteurs, la «multiplicité», qui explique tous les plans qui appartiennent à la même famille parce qu'ils sont symétriquement liés, et le facteur «Lorentz-Polarisation», qui provient de la géométrie de l'expérience XRD, affectent également le l'intensité relative des pics, mais ils ne sont pas spécifiques à un matériau et peuvent facilement être expliqués avec des expressions analytiques (c.-à-d. le logiciel d'analyse XRD peut les supprimer avec des fonctions analytiques).
<img alt="Figure 3" src="/files/ftp_upload/10446/10446fig3.jpg"> Figure 3 : Trois chemins de rayons de diffraction, dont les rayons 11' et 22' satisfont à l'état de Bragg, tandis que le rayon 33' résulte de la dispersion par un atome (cercle rouge) à une position arbitraire.
En tant que seul facteur qui porte la contribution structurelle unique d'un matériau aux intensités relatives des pics XRD, le facteur de structure est très important et nécessite un examen plus attentif. Dans la figure 2, supposons que la condition de diffraction bragg du1er ordre (rappelez-vous, que cela correspond à n '1) est satisfaite entre le rayon11' et le rayon22' qui sont dispersés sur deux plans atomiques dans la direction h00 (en utilisant la notation des indices Miller décrit précédemment) séparés par une distance d. Dans ces conditions, la différence de longueur de chemin entre le rayon11' et le rayon22' est de22'-11') et de SA et AR. Le décalage de phase entre les rayons diffractés 1 et 2 est, par conséquent, de22'-11' (22'-11')/ ') 2 '2 '(en supposant une symétrie cubique et, par conséquent, d 'a/h dans la direction h00].
Avec quelques étapes dans la géométrie analytique, il peut être démontré que le changement de phase,'33'-11'), avec le rayon 3 diffracté par un plan arbitraire d'atomes qui sont espacés d'une distance arbitraire x, est donné par:(33'-11') ' 2'hu, où u 'x/a (a est le paramètre de cellule unitaire dans la direction (h00). Prenant les deux autres directions orthogonales, (0k0) et (00l), et v'y/a et w'z/a comme coordonnées fractionnaires dans les directions y- et z, l'expression pour le décalage de phase s'étend à 2 '(hu'kv'lw). Maintenant, l'onde de rayon X dispersée par l'atome j-thdans une cellule d'unité aura une amplitude <img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/10446/10446eq8.jpg" style="opacity: 0.9; font-size: 14px;"> de diffusion de fj et une phase dej,de telle sorte que la fonction la décrivant est. Le facteur de structure que nous recherchons, par conséquent, est la somme de toutes les fonctions de diffusion dues à tous les atomes uniques dans une cellule unitaire. Ce facteur de structure, F, est donné comme:
<img alt="Equation 9" src="/files/ftp_upload/10446/10446eq9v2.jpg">[9]
et le facteur d'intensité contribué par le facteur de structure est I F2.
Sur la base des positions (u,v,w) des atomes sur des plans particuliers (h,k,l), il y a la possibilité d'interférence entre les vagues éparses qui est constructive, destructrice, ou entre les deux, et cette interférence affecte directement l'amplitude des pics XRD représentant les avions (hkl).
Maintenant, une parcelle d'intensité, je, contre 2 est ce qui est mesuré dans une expérience XRD. La détermination du type de cristal et des paramètres des cellules unitaires associées(a, b, c, ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' '' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' Aujourd'hui, c'est processus est assez automatisé par une variété de logiciels liés à des bases de données de structure cristalline.

diffraction des rayons x

Source : Faisal Alamgir, School of Materials Science and Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA
La diffraction des rayons X (XRD) est une technique utilisée dans la science des matériaux pour déterminer la structure atomique et moléculaire d'un matériau. Pour ce faire, on irradie un échantillon du matériau avec des rayons X incident, puis en mesurant les intensités et les angles de diffusion des rayons X qui sont dispersés par le matériau. L'intensité des rayons X dispersés est tracée en fonction de l'angle de diffusion, et la structure du matériau est déterminée à partir de l'analyse de l'emplacement, en angle, et les intensités des pics d'intensité dispersés. Au-delà de la mesure des positions moyennes des atomes dans le cristal, des informations sur la façon dont la structure réelle s'écarte de l'idéal, résultant par exemple d'un stress interne ou de défauts, peuvent être déterminées.
La diffraction des rayons X, qui est au cœur de la méthode XRD, est un sous-ensemble des phénomènes généraux de diffusion des rayons X. XRD, qui est généralement utilisé pour signifier peut grand angle diffraction des rayons X (WAXD), tombe sous plusieurs méthodes qui utilisent les ondes élastiquement dispersés rayons X. D'autres techniques de diffusion élastique basées sur la radiographie comprennent la diffusion à faible angle des rayons X (SAXS), où les rayons X sont des incidents sur l'échantillon sur la petite plage angulaire de 0,1-100 généralement). SAXS mesure les corrélations structurelles de l'échelle de plusieurs nanomètres ou plus (comme les superstructures de cristaux), et la réflectivité des rayons X qui mesure l'épaisseur, la rugosité et la densité des couches minces. WAXD couvre une gamme angulaire au-delà de 100.

Dans la figure 4, nous voyons les pics XRD pour l'échantillon de poudre Ni. Notez que les pics observés (p. ex. {111}, {200}) sont pour ceux qui ont soit toutes les combinaisons égales ou toutes les combinaisons étranges de h, k, et l. Ni est centré sur le visage cubique (FCC), et dans toutes les structures fcc, les pics correspondant à des planshkloù h, k, et l sont des mélanges d'intégristes uniformes et impairs, sont absents en raison de l'interférence destructrice des rayons X dispersés. Les pics correspondant aux avions, tels que les {210} et les {211} sont manquants. Ce phénomène est appelé les règles systématiques de présence et d'absence, et ils fournissent un outil d'analyse pour évaluer la structure cristalline de l'échantillon.
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/10446/10446fig4.jpg"> Figure 4: Un balayage XRD de Ni avec une structure cubique centrée sur le visage est montré.

Diffraction des rayons X

Source: Faisal Alamgir, School of Materials Science and Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA
X-ray diffraction (XRD) is a technique ...

La diffraction des rayons X est une technique utilisée pour déterminer la structure atomique et moléculaire des matériaux. Les solides ont une structure cristalline, qui correspond à un arrangement microscopique d’atomes qui est répété périodiquement. En jalonnant des plans, une structure 3D de symétrie spécifique peut être formée. Ces arrangements structurels se traduisent par une géométrie de garnissage spécifique qui dicte les propriétés physiques et chimiques du matériau. Tels que l’aimantation, la conductivité thermique ou la malléabilité. La réflexion des rayons X sur les matériaux peut révéler les détails internes de leur structure. Cette vidéo illustrera les principes généraux de la diffraction des rayons X sur un matériau et comment ce phénomène est utilisé en laboratoire pour déterminer la structure et la composition chimique des matériaux. Pour commencer, regardons de plus près un cristal. Il est formé de réseaux atomiques disposés dans des plans périodiquement séparés par une distance dhkl de quelques angströms. H, k, l sont des indices de Miller, un ensemble de trois entiers qui constituent un système de notation pour identifier les directions et les plans à l’intérieur des cristaux. La plus petite structure répétitive d’un cristal s’appelle la cellule unitaire. Différents angles, alpha, bêta, gamma et longueurs a, b, c, d’une cellule unitaire formant le réseau donneront lieu à différentes symétries. Il y a sept systèmes cristallins. Cubique, tétragonal, orthorhombique, rhomboédrique, monoclinique, triclinique et hexagonal. La relation entre les paramètres de la cellule unitaire et les indices de Miller peut être calculée pour chaque classe de cristaux. Les électromagnétiques de longueur d’onde lambda peuvent avoir des dimensions similaires avec les différences entre les plans à l’intérieur du réseau du cristal. Celles-ci correspondent à des longueurs d’onde dans la gamme spectrale des rayons X. Lorsque les ondes lumineuses des rayons X irradient un cristal à un angle incident thêta, elles se propagent à travers le cristal et rencontrent des points de réseau à partir desquels elles se défractent. La loi de Bragg relie ces paramètres où n est un entier qui représente l’ordre harmonique de la diffraction. Pour un lambda donné, seuls les angles thêta spécifiques donnent lieu à la diffraction. C’est la signature unique d’une structure cristalline. Dans une expérience, l’échantillon est tourné et le détecteur qui recueille les rayons X diffusés enregistre des pics d’intensité lorsqu’il atteint ces angles caractéristiques. On peut ensuite extraire l’espacement du réseau DHKL pour chaque angle satisfaisant la loi de Bragg. En utilisant plusieurs positions de pic diffractés correspondant à plusieurs valeurs DHKL distinctes, les paramètres de la cellule unitaire peuvent être résolus de manière unique. Deux facteurs principaux contribuent à l’intensité relative des pics. Tout d’abord, il y a les contributions non structurelles, qui comprennent la capacité du matériau à absorber la lumière des rayons X, et la géométrie de l’expérience XRD. Ceux-ci peuvent être pris en compte dans le post-traitement des données expérimentales. Deuxièmement, et c’est le plus important, la contribution structurelle du matériau est liée aux intensités relatives de la DRX. Chaque pic de diffraction est en fait la somme de toutes les amplitudes diffusées à partir de plusieurs trajets de rayons diffractés par tous les atomes uniques d’une cellule unitaire. Si les lumières diffusées sont en phase, il y a interférence construite. Alors que s’ils sont déphasés, il y a des interférences détruites. Ces interférences affectent directement l’amplitude des pics XRD, représentant les plans HKL du cristal. Nous allons maintenant voir comment ces principes s’appliquent dans une expérience réelle de diffraction des rayons X. Avant de commencer, inspectez soigneusement l’instrument XRD et évaluez son état et sa sécurité. Les utilisateurs de DRX doivent être formés aux bases de la radioprotection avant d’avoir accès à l’instrument. Procédez ensuite à la préparation de l’échantillon. Dans cette expérience, nous utilisons un échantillon de poudre de nickel sous la forme d’une pastille pressée. Il est important que l’échantillon ne soit pas mince et qu’il soit au moins trois fois plus épais que la longueur d’atténuation des rayons X. Notez que la procédure suivante s’applique à un instrument XRD spécifique et à son logiciel associé et qu’il peut y avoir des variations lorsque d’autres instruments sont utilisés. Chargez l’échantillon dans l’étage de l’essoreuse de l’échantillon et verrouillez l’échantillon en position, en vous assurant que le côté irradié de l’échantillon est parallèle à l’étage d’échantillon. À l’aide d’un masque, ajustez la taille du faisceau de rayons X de l’instrument en fonction du diamètre de l’échantillon. Au plus petit angle d’incident, l’empreinte du faisceau doit être inférieure à la largeur de l’échantillon. Il est maintenant temps de choisir les paramètres d’acquisition. Tout d’abord, sélectionnez la plage d’angle pour le balayage XRD. En règle générale, la plage va de 15 à 90 degrés. Ensuite, sélectionnez la taille du pas de degré ainsi que le temps d’intégration à chaque angle scanné. Ensuite, procédez à l’acquisition des données. Après le balayage, on obtient un graphique de l’intensité en fonction de l’angle par rapport à thêta. À partir de ce balayage initial, sélectionnez des pics spécifiques et déterminez les positions des pics. Répétez l’acquisition et concentrez-vous cette fois sur une plage de balayage plus étroite autour de pics spécifiques. Utilisation d’un angle de pas plus petit pour obtenir des données de plus haute résolution. Une fois l’acquisition des données terminée, les données peuvent être analysées pour identifier la structure du matériau. À l’aide du logiciel de l’instrument et de la bibliothèque de base de données, chaque pic du spectre est identifié et associé à une symétrie spécifique de disposition des cristaux. Dans ce cas particulier de l’échantillon de poudre de nickel, le spectre présente un premier pic correspondant à une symétrie un un. Le deuxième pic est associé à une symétrie deux zéro-zéro et ainsi de suite. Ensuite, le logiciel détermine que cette combinaison spécifique de symétries correspond à une structure cubique centrée sur la face et il identifie que l’échantillon est une poudre de nickel. La diffraction des rayons X est une méthode standard pour déterminer la présence ou l’absence d’ordre cristallographique dans les matériaux. Il est souvent utilisé pour obtenir une variété d’autres informations structurelles concernant les contraintes internes et les défauts d’un cristal, ou plusieurs phases cristallographiques dans les matériaux composites. La technique XRD est également utilisée en biologie pour déterminer la structure et l’orientation spatiale des macromolécules biologiques telles que les protéines et les acides nucléiques. C’est notamment ainsi qu’a été découverte la structure en double hélice de l’ADN, ce qui a conduit au prix Nobel de physiologie ou de médecine en 1962. L’étude de la géochimie des minéraux, que ce soit à des fins minières ou même pour l’exploration planétaire, fait également appel à la technique XRD. Pensez au rover Curiosity sur Mars qui compte parmi ses dix instruments scientifiques un détecteur XRD pour analyser la composition du sol martien. Vous venez de regarder l’introduction de Jupiter à la diffraction des rayons X. Vous devriez maintenant comprendre la structure cristalline d’un solide et les principes de la diffraction des rayons X. Vous devez également savoir comment la technique XRD est utilisée en laboratoire pour obtenir la structure et la composition chimique des matériaux. Merci d’avoir regardé !

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X-ray diffraction is part of a broader group of X-ray scattering methods. It is often used to mean wide-angle X-ray diffraction, or WAXD. WAXD covers scattering at angles above 10 degrees.

Other elastic scattering methods include small angle X-ray scattering, or SAXS, and X-ray reflectivity. SAXS uses a small angular range of about 0.1 to 10 degrees and measures structural correlations on the scale of several nanometers or larger, such as crystal superstructures. X-ray reflectivity is used to measure the thickness, roughness, and density of thin films.

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Keeping Nanocrystalline Alloy Grains Small

Nanocrystalline alloys are metals with grain sizes smaller than 100 nm. These tiny grains can give the material enhanced physical and mechanical properties. That is why nanocrystalline alloys are used or studied for semiconductor devices, biosensors, and aerospace parts. A major challenge is making dense bulk materials from these alloys. To reach close to 100% density, the material must be processed with elevated temperature and pressure. But as temperature and pressure rise, the small grains...

hydrogel synthesis

Hydrogels and Their Water Absorption

Hydrogels are cross-linked polymers that can absorb water and swell. They are made with relatively simple procedures and inexpensive materials, which makes them useful for many school-level chemistry and materials science topics. A hydrogel starts with a polymer backbone built from monomer reagents. An initiator makes the polymer reactive, and a crosslinking species connects the chains together. This network gives the material its final structure. Water absorption is one of the key features...

materials engineering

Cette collection présente des méthodes innovantes pour l'analyse et la caractérisation des matériaux, et présente une gamme de matériaux et de procédés avancés pour de nouvelles technologies et applications.

Learn how X-ray diffraction uses scattered X-rays to identify crystal structure, detect defects, and distinguish WAXD, SAXS, and X-ray reflectivity.

Crystal Structure Using X-ray Diffraction | JoVE K12

criteria-mineral-crystalline-solid-occurs-nature-inorganic-defined

Criteria of a mineral (crystalline solid, occurs in nature, inorganic, defined chemical composition)

Virginia  Standards of Learning

HIgh School

Earth Science

ES.4

ES.4.c

south-carolina-college-and-career-ready-science-standards

South Carolina College and Career Ready Science Standards

High School

Chemistry

Matter and Its Interactions

C-PS1-1

C-PS1-3.

motion-and-stability-forces-and-interactions

Motion and Stability: Forces and Interactions

C-PS2-6.

Faisal Alamgir

School of Materials Science and Engineering

Georgia Institute of Technology

Overview

Principles of X-ray Diffraction

Instrument, Sample and Beam Parameters

Selection of the Parameters for the Acquisition

Acquisition and Analysis

Results

Applications

Summary

The Atomic Theory of Matter

The earliest recorded discussion of the basic structure of matter comes from ancient Greek philosophers. Leucippus and Democritus argued that all matter ...

Subatomic Particles

Dalton was only partially correct about the particles that make up matter. All matter is composed of atoms, and atoms are composed of three smaller ...

Elements: Chemical Symbols and Isotopes

A chemical symbol is an abbreviation used to indicate an element or an atom of an element. For example, the symbol for mercury is Hg. The same symbol is ...

Atomic Mass

Atoms &mdash; and the protons, neutrons, and electrons that compose them &mdash; are extremely small. For example, a carbon atom weighs less than 2 ...

physical-properties-of-minerals-ii-polymineralic-analysis

Physical Properties Of Minerals II: Polymineralic Analysis

Source: Laboratory of Alan Lester - University of Colorado Boulder
The physical properties of minerals include various measurable and discernible ...

physical-properties-of-minerals-i-crystals-and-cleavage

Physical Properties Of Minerals I: Crystals and Cleavage

Source: Laboratory of Alan Lester - University of Colorado Boulder
The physical properties of minerals comprise various measurable and discernible ...

Atoms and elements

Content elaboration: This unit builds upon the Earth and Space Science strand in grade 6, where common minerals are defined, tested and classified. It also incorporates knowledge of mineral properties and crystalline structures (chemical compositions and bonding) included in the chemistry sections of other high school courses. The emphasis in this course is to relate the chemical and physical components of minerals to the properties of the minerals. This requires extensive mineral testing, investigations, experimentation, observation, use of technology and models/modeling. The focus is on learning the ways to research, test and evaluate minerals, not in memorization of mineral names or types. Properties such as cleavage and hardness are connected to the chemical structure and bonding of the mineral. In addition, the environment in which minerals form should be part of the classification of the mineral, using mineral data to help interpret the environmental conditions that existed during the formation of the mineral.

Atoms and elements

Types of Chemical Bonds

Chemical bonding theories were pioneered by American chemist Gilbert&#xA0;N. Lewis. He developed a model called the Lewis model to explain the type and ...

Ionic Bonds

When atoms gain or lose electrons to achieve a more stable electron configuration they form ions. Ionic bonds are electrostatic attractions between ions ...

Ionic Bonding and Electron Transfer

Ions are atoms or molecules bearing an electrical charge. A cation (a positive ion) forms when a neutral atom loses one or more electrons from its valence ...

Lewis Symbols and the Octet Rule

Chemical bonds are complex interactions between two or more atoms or ions, which reduce the potential energy of the molecule. Gilbert N. Lewis developed a ...

Chemical Bonds


Atoms participate in a chemical bond formation&#160;to acquire a completed valence-shell electron configuration similar to that of the noble gas nearest ...

Covalent Bonding and Lewis Structures

Compared to ionic bonds, which results from the transfer of electrons between metallic and nonmetallic atoms, covalent bonds result from the mutual ...

Bonding in Metals

Metallic bonds are formed between two metal atoms. A simplified model to describe metallic bonding has been developed by Paul Dr&#xFC;de called the ...

soil-nutrient-analysis-nitrogen-phosphorus-and-potassium

Soil Nutrient Analysis: Nitrogen, Phosphorus, and Potassium

Source: Laboratories of Margaret Workman and Kimberly Frye - Depaul University
In this experiment, three soil macronutrients are chemically extracted, ...

Chemical bonding (ionic, covalent, metallic)

Content elaboration: This unit builds upon the Earth and Space Science strand in grade 6, where common minerals are defined, tested and classified. It also incorporates knowledge of mineral properties and crystalline structures (chemical compositions and bonding) included in the chemistry sections of other high school courses. The emphasis in this course is to relate the chemical and physical components of minerals to the properties of the minerals. This requires extensive mineral testing, investigations, experimentation, observation, use of technology and models/modeling. The focus is on learning the ways to research, test and evaluate minerals, not in memorization of mineral names or types. Properties such as cleavage and hardness are connected to the chemical structure and bonding of the mineral. In addition, the environment in which minerals form should be part of the classification of the mineral, using mineral data to help interpret the environmental conditions that existed during the formation of the mineral.

Chemical bonding (ionic, covalent, metallic)

Structures of Solids

Solids in which the atoms, ions, or molecules are arranged in a definite repeating pattern are known as crystalline solids. Metals and ionic compounds ...

Ionic Crystal Structures

Ionic crystals consist of two or more different kinds of ions that usually have different sizes. The packing of these ions into a crystal structure is ...

X-ray Crystallography

The size of the unit cell and the arrangement of atoms in a crystal may be determined from measurements of the diffraction of X-rays by the crystal, ...

Classifying Matter by Composition

Matter: Pure Substances and Mixtures
According to its composition, the matter can be classified into two broad categories &mdash; pure substances and ...

Optical Materialography Part 2: Image Analysis

Source: Faisal Alamgir, School of Materials Science and Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA
The imaging of microscopic structures of ...

X-ray Photoelectron Spectroscopy

Source: Faisal Alamgir, School of Materials Science and Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA
X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) ...

Crystallinity (crystal structure)

Content elaboration: This unit builds upon the Earth and Space Science strand in grade 6, where common minerals are defined, tested and classified. It also incorporates knowledge of mineral properties and crystalline structures (chemical compositions and bonding) included in the chemistry sections of other high school courses. The emphasis in this course is to relate the chemical and physical components of minerals to the properties of the minerals. This requires extensive mineral testing, investigations, experimentation, observation, use of technology and models/modeling. The focus is on learning the ways to research, test and evaluate minerals, not in memorization of mineral names or types. Properties such as cleavage and hardness are connected to the chemical structure and bonding of the mineral. In addition, the environment in which minerals form should be part of the classification of the mineral, using mineral data to help interpret the environmental conditions that existed during the formation of the mineral.

single-crystal-and-powder-x-ray-diffraction

Single Crystal and Powder X-ray Diffraction

Source: Tamara M. Powers, Department of Chemistry, Texas A&#38;M University&#160;
X-ray crystallography is a technique that uses X-rays to study the ...

determining-the-solubility-rules-of-ionic-compounds

Determining the Solubility Rules of Ionic Compounds

Source: Laboratory of Dr. Neal Abrams &#8212; SUNY College of Environmental Science and Forestry
An ionic compound&#39;s solubility can be determined via ...

Criteria of a mineral (crystalline solid, occurs in nature, inorganic, defined chemical composition)

Content elaboration: This unit builds upon the Earth and Space Science strand in grade 6, where common minerals are defined, tested and classified. It also incorporates knowledge of mineral properties and crystalline structures (chemical compositions and bonding) included in the chemistry sections of other high school courses. The emphasis in this course is to relate the chemical and physical components of minerals to the properties of the minerals. This requires extensive mineral testing, investigations, experimentation, observation, use of technology and models/modeling. The focus is on learning the ways to research, test and evaluate minerals, not in memorization of mineral names or types. Properties such as cleavage and hardness are connected to the chemical structure and bonding of the mineral. In addition, the environment in which minerals form should be part of the classification of the mineral, using mineral data to help interpret the environmental conditions that existed during the formation of the mineral.

physical-and-chemical-properties-of-matter

Physical and Chemical Properties of Matter

The characteristics that enable us to distinguish one substance from another are called properties.

Physical Properties of Matter

A physical property is ...

Metallic Solids

Metallic solids such as crystals of copper, aluminum, and iron are formed by metal atoms. The structure of metallic crystals is often described as a ...

Properties of Transition Metals

Transition metals are defined as those elements that have partially filled d orbitals. As shown in Figure 1, the d-block elements in groups 3&#8211;12 are ...

stress-strain-characteristics-of-aluminum

Stress-Strain Characteristics of Aluminum

Source:&#160;Roberto Leon, Department of Civil and Environmental Engineering, Virginia Tech, Blacksburg, VA
Aluminum is one of the most abundant materials ...

an-overview-of-bgdgt-biomarker-analysis-for-paleoclimatology

An Overview of bGDGT Biomarker Analysis for Paleoclimatology

Source: Laboratory of Jeff Salacup&#160;- University of Massachusetts Amherst
Throughout this series of videos, natural samples were extracted and ...

an-overview-of-alkenone-biomarker-analysis-for-paleothermometry

An Overview of Alkenone Biomarker Analysis for Paleothermometry

Properties of minerals (hardness, luster, cleavage, streak, crystal shape, fluorescence, flammability, density/specific gravity, malleability)

Content elaboration: This unit builds upon the Earth and Space Science strand in grade 6, where common minerals are defined, tested and classified. It also incorporates knowledge of mineral properties and crystalline structures (chemical compositions and bonding) included in the chemistry sections of other high school courses. The emphasis in this course is to relate the chemical and physical components of minerals to the properties of the minerals. This requires extensive mineral testing, investigations, experimentation, observation, use of technology and models/modeling. The focus is on learning the ways to research, test and evaluate minerals, not in memorization of mineral names or types. Properties such as cleavage and hardness are connected to the chemical structure and bonding of the mineral. In addition, the environment in which minerals form should be part of the classification of the mineral, using mineral data to help interpret the environmental conditions that existed during the formation of the mineral.

properties-minerals-hardness-luster-cleavage-streak-crystal-shape

Properties of minerals (hardness, luster, cleavage, streak, crystal shape, fluorescence, flammability, density/specific gravity, malleability)

Crystal Structure Using X-ray Diffraction

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