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La diffraction des rayons X est une technique analytique courante utilisée en science des matériaux et en biochimie pour déterminer la structure des cristaux.
Il trace le chemin des rayons X à travers les cristaux pour sonder la structure. Il existe deux techniques principales. La diffraction des rayons X sur poudre détermine les phases et la pureté d’une espèce cristalline. La diffraction des rayons X uniques identifie les atomes d’un cristal et leur emplacement, ainsi que les densités d’électrons, les longueurs de liaison et les angles.
Cette vidéo illustre le fonctionnement d’un diffractomètre à rayons X, les procédures de diffraction des rayons X sur monocristal et sur poudre, et aborde quelques applications.
Nous commencerons par examiner le concept de structure cristalline et explorerons comment les rayons X interagissent avec les cristaux.
Un cristal est une configuration périodique d’atomes, c’est-à-dire un motif géométrique d’atomes qui se répètent à intervalles réguliers. Le plus petit élément répétitif d’un cristal est appelé « cellule unitaire ». Il est décrit par sa structure de garniture, ses dimensions et ses angles de liaison. Les « indices de Miller » décrivent toutes les sections efficaces planes fictives de la cellule unitaire.
Les rayons X sont une forme d’ondes électromagnétiques dont les longueurs d’onde sont similaires à l’espacement atomique des cristaux. Lorsqu’un seul rayon X frappe un atome individuel, il est diffracté. Lorsque deux rayons X cohérents frappent des atomes dans des plans différents, les rayons X diffractés interfèrent, ce qui entraîne des signaux constructifs ou destructeurs.
Le motif de diffraction d’un échantillon cristallin en poudre est composé de points intenses, qui forment des anneaux d’interférence constructive. Les angles auxquels ces taches se produisent correspondent à l’espacement des atomes dans ce plan. L’espacement peut être déterminé à l’aide de la loi de Bragg.
Maintenant que nous avons appris à connaître les cristaux et les modèles de diffraction des rayons X, voyons comment fonctionne un diffractomètre à rayons X.
Un diffractomètre à rayons X se compose de trois composants de base : une source de rayons X, un échantillon et un détecteur. Tous les composants sont orientés dans une disposition circulaire coplanaire avec le porte-échantillon au centre. La source contient généralement une cible en cuivre qui, lorsqu’elle est bombardée par des électrons, émet un faisceau de rayons X collimatés. Le faisceau est dirigé vers l’échantillon, qui réfracte les rayons X. L’échantillon et le détecteur sont ensuite tournés dans des directions opposées, jusqu’à ce que les angles d’intensité des rayons X soient déterminés.
Une intensité élevée de rayons X correspond à une interférence constructive par un plan cristallographique dans la diffraction des rayons X sur monocristal et sur poudre. La diffraction des rayons X sur poudre révèle la structure cristalline de l’échantillon, tandis que la diffraction des rayons X sur monocristal révèle en outre le contenu chimique et l’emplacement des atomes.
Voyons maintenant un exemple pratique de diffractométrie aux rayons X.
La diffraction des rayons X monocristallins nécessite des cristaux de haute qualité sans impuretés, joints de grains ou autres défauts interfaciaux. Apportez les cristaux du composé organo-molybdène au microscope optique pour l’analyser.
Commencez par ajouter une goutte d’huile paratone sur une lame de verre propre. Ajoutez ensuite une petite quantité d’huile de paratone dans une spatule et prélevez quelques cristaux de la fiole de cristallisation sur une lame.
Examinez les cristaux au microscope et choisissez un cristal aux bords uniformes et bien définis. Une fois qu’un cristal idéal est choisi, utilisez une boucle Kapton pour ramasser le cristal, en vous assurant que peu d’huile adhère au cristal.
Ensuite, ouvrez les portes du diffractomètre pour charger l’échantillon. Fixez la boucle Kapton à la tête du gonomètre, en centrant le cristal par rapport au faisceau de rayons X. Fermez ensuite les portes.
Ouvrez le logiciel de cristallographie aux rayons X et exécutez une courte séquence de collecte de données qui établit la structure de la cellule unitaire. Sur la base de ces données, sélectionnez une stratégie de collecte de données et exécutez la collecte de données complète. Une fois qu’un ensemble complet de données a été collecté, traitez les données à l’aide d’un programme approprié et affinez-les.
Par rapport à la diffraction des rayons X monocristallins, la diffraction des rayons X sur poudre est une technique de caractérisation en vrac qui ne nécessite pas de monocristaux.
Choisissez un porte-échantillon de taille appropriée et une plaque de diffraction qui n’affectera pas les lectures aux angles d’intérêt.
Placez un tamis à mailles fines sur la plaque de diffraction. Ajoutez délicatement 20 mg d’échantillon dans le tamis, en gardant l’échantillon au-dessus de la plaque. Tapotez le tamis sur la paillasse jusqu’à ce qu’une monocouche de poudre se forme.
Fixez la plaque de diffraction dans le porte-échantillon. Ouvrez les portes du diffractomètre et montez l’échantillon. Si le support d’échantillon est équipé de goupilles de verrouillage, assurez-vous que les goupilles sont engagées et que le porte-échantillon est bien fixé avant de fermer les portes.
À l’aide d’un logiciel adapté, chargez une méthode standard de collecte de données. Entrez une gamme d’angles de balayage adaptés au matériau. Entrez ensuite le temps de balayage ; Un temps de balayage plus long permet une meilleure résolution. Appuyez ensuite sur « démarrer ».
Comparons maintenant les résultats obtenus à partir de la diffraction des rayons X sur monocristal et sur poudre du complexe organo-molybdène.
À partir des données de rayons X monocristallines, un modèle structurel de la carte de densité électronique est généré, qui est utilisé pour obtenir des longueurs et des angles de liaison déterminés expérimentalement à l’intérieur de la structure.
De plus, la poudre XRD fournit des informations supplémentaires sur le composé. La ligne de base plate du spectre indique que l’échantillon utilisé est hautement cristallin, tandis que les lignes de base courbes sont indicatives de matériaux amorphes.
La diffraction des rayons X est un outil de caractérisation précieux dans pratiquement tous les domaines de la science des matériaux, et joue donc un rôle dans diverses applications.
L’un des principaux éléments de la conservation de l’art patrimonial consiste à comprendre comment les œuvres d’art ont été produites et pourquoi elles se corrodent. Les développements récents en matière de diffraction des rayons X étudient la corrosion en testant de manière destructive moins de 1 mg d’échantillon. Comme les produits de corrosion sont rarement monocristallins, la diffraction des rayons X de la poudre est nécessaire. Les analyses typiques se produisent à 2 ? entre 5 et 85 ? degrés sur 20 heures. L’emplacement des atomes dans le cristal peut être optimisé par algorithme, ce qui donne un aperçu de l’emplacement et de la nature des attaques chimiques.
Les films de matériaux d’une épaisseur allant du nanomètre au micromètre ont des capacités de protection, électriques et optiques uniques qui diffèrent de celles des matériaux en vrac. La diffraction des rayons X fournit des informations sur l’épaisseur, la densité et la texture de surface du film. Il est utilisé pour déterminer la contrainte du film et la probabilité de défaillance et de rupture du film. Il aide également à caractériser le comportement optique des films, car l’absorption dépend en grande partie de la structure cristalline. Il est donc utilisé pour caractériser les capteurs de lumière à couche mince et les cellules photovoltaïques.
Vous venez de regarder l’introduction de JoVE à la diffraction des rayons X sur monocristal et sur poudre. Vous devriez maintenant être familiarisé avec les principes de la diffractométrie des rayons X, une procédure pour obtenir des motifs de diffraction et certaines applications. Comme toujours, merci d’avoir regardé !
