Diffrazione a raggi X su cristallo singolo e su polveri

La diffrazione dei raggi X è una tecnica analitica comune utilizzata nella scienza dei materiali e nella biochimica per determinare le strutture dei cristalli.

Traccia i percorsi dei raggi X attraverso i cristalli per sondare la struttura. Ci sono due tecniche principali. La diffrazione dei raggi X delle polveri determina le fasi e la purezza di una specie cristallina. La diffrazione a raggi X singoli identifica gli atomi in un cristallo e le loro posizioni, nonché la densità degli elettroni, le lunghezze di legame e gli angoli.

Questo video illustra il funzionamento di un diffrattometro a raggi X, le procedure per la diffrazione di raggi X sia a cristallo singolo che a polvere e discute alcune applicazioni.

Inizieremo esaminando il concetto di struttura cristallina ed esplorando il modo in cui i raggi X interagiscono con i cristalli.

Un cristallo è una configurazione periodica di atomi, cioè uno schema geometrico di atomi che si ripetono a intervalli regolari. Il più piccolo elemento ripetuto di un cristallo è chiamato "cella unitaria". È descritto dalla sua struttura di impacchettamento, dalle dimensioni e dagli angoli di adesione. Gli "indici di Miller" descrivono qualsiasi sezione d'urto planare fittizia della cella unitaria.

I raggi X sono una forma di onde elettromagnetiche le cui lunghezze d'onda sono simili alla spaziatura atomica nei cristalli. Quando una singola radiografia colpisce un singolo atomo, viene diffratta. Quando due raggi X coerenti colpiscono atomi su piani diversi, i raggi X diffratti interferiscono, provocando segnali costruttivi o distruttivi.

Il modello di diffrazione di un campione di polvere cristallina è costituito da macchie intense, che formano anelli di interferenza costruttiva. Gli angoli in cui si verificano queste macchie corrispondono alla spaziatura degli atomi in quel piano. La spaziatura può essere determinata utilizzando la legge di Bragg.

Ora che abbiamo imparato a conoscere i cristalli e i modelli di diffrazione dei raggi X, diamo un'occhiata a come funziona un diffrattometro a raggi X.

Un diffrattometro a raggi X è costituito da tre componenti fondamentali: una sorgente di raggi X, un campione e un rivelatore. Tutti i componenti sono orientati in una disposizione circolare complanare con il portacampioni al centro. La sorgente di solito contiene un bersaglio di rame che, quando bombardato da elettroni, emette un fascio di raggi X collimati. Il fascio è diretto verso il campione, che rifrange i raggi X. Il campione e il rivelatore vengono quindi ruotati in direzioni opposte, fino a determinare gli angoli di intensità dei raggi X.

Un'elevata intensità di raggi X corrisponde all'interferenza costruttiva di un piano cristallografico sia nella diffrazione di raggi X a cristallo singolo che in quella a polvere. La diffrazione dei raggi X delle polveri rivela la struttura cristallina del campione, mentre la diffrazione dei raggi X a cristallo singolo rivela inoltre il contenuto chimico e la posizione degli atomi.

Vediamo ora un esempio pratico di diffrattometria a raggi X.

La diffrazione dei raggi X a cristallo singolo richiede cristalli di alta qualità senza impurità, bordi di grano o altri difetti interfacciali. Portare i cristalli del composto organo-molibdeno al microscopio ottico per analizzarlo.

Inizia aggiungendo una goccia di olio di paratone a un vetrino pulito. Quindi aggiungere una piccola quantità di olio di paratone a una spatola e raccogliere alcuni cristalli dalla fiala di cristallizzazione su un vetrino.

Esamina i cristalli al microscopio e seleziona un cristallo con bordi uniformi e ben definiti. Una volta scelto un cristallo ideale, usa un anello Kapton per raccogliere il cristallo, assicurandoti che poco olio si attacchi al cristallo.

Quindi, aprire gli sportelli del diffrattometro per caricare il campione. Fissare l'ansa di Kapton alla testa del gonoimetro, centrando il cristallo rispetto al fascio di raggi X. Quindi chiudere le porte.

Aprire il software di cristallografia a raggi X ed eseguire una breve sequenza di raccolta dati che stabilisce la struttura della cella unitaria. Sulla base di questi dati, selezionare una strategia di raccolta dati ed eseguire la raccolta completa dei dati. Una volta raccolto un set completo di dati, elabora i dati utilizzando un programma adatto e perfezionalo.

Rispetto alla diffrazione di raggi X su cristallo singolo, la diffrazione di raggi X su polvere è una tecnica di caratterizzazione di massa che non richiede cristalli singoli.

Scegliere un portacampioni di dimensioni adeguate e una piastra di diffrazione che non influenzi le letture agli angoli di interesse.

Posizionare un setaccio a maglie fini sulla piastra di diffrazione. Aggiungere con cautela 20 mg di campione al setaccio, mantenendo il campione sopra la piastra. Picchiettare il setaccio sul piano di lavoro fino a formare un monostrato di polvere.

Fissare la piastra di diffrazione nel supporto del campione. Aprire gli sportelli del diffrattometro e montare il campione. Se il supporto del campione è dotato di perni di bloccaggio, assicurarsi che i perni siano innestati e che il supporto del campione sia sicuro prima di chiudere gli sportelli.

Utilizzando un software adatto, caricare un metodo di raccolta dati standard. Immettere un intervallo di angoli di scansione adatto al materiale. Quindi inserisci il tempo di scansione; Un tempo di scansione più lungo consente una migliore risoluzione. Quindi premere "start".

Ora, confrontiamo i risultati ottenuti dalla diffrazione di raggi X a cristallo singolo e polvere del complesso organo-molibdeno.

Dai dati a raggi X a cristallo singolo, viene generato un modello strutturale della mappa della densità elettronica, che viene utilizzato per ottenere lunghezze e angoli di legame determinati sperimentalmente all'interno della struttura.

Inoltre, l'XRD in polvere fornisce ulteriori informazioni sul composto. La linea di base piatta dello spettro indica che il campione utilizzato è altamente cristallino, mentre le linee di base curve sono indicative di materiali amorfi.

La diffrazione dei raggi X è un prezioso strumento di caratterizzazione praticamente in ogni campo della scienza dei materiali e quindi svolge un ruolo in diverse applicazioni.

Una componente importante della conservazione dell'arte del patrimonio include la comprensione di come sono state prodotte le opere d'arte e perché si corrodono. I recenti sviluppi nello studio della diffrazione dei raggi X studiano la corrosione testando in modo distruttivo meno di 1 mg di campione. Poiché i prodotti di corrosione sono raramente monocristallini, è necessaria la diffrazione dei raggi X da polveri. Le analisi tipiche si verificano a 2? tra i 5 e gli 85 anni? gradi superiori alle 20 ore. Le posizioni degli atomi all'interno del cristallo possono essere ottimizzate algoritmicamente, fornendo informazioni sulla posizione e sulla natura degli attacchi chimici.

I film di materiale che vanno dai nanometri ai micrometri di spessore hanno capacità protettive, elettriche e ottiche uniche che differiscono da quelle dei materiali sfusi. La diffrazione dei raggi X fornisce informazioni sullo spessore, la densità e la struttura della superficie del film. Viene utilizzato per determinare lo stress del film e la probabilità di guasto e rottura del film. Aiuta anche a caratterizzare il comportamento ottico dei film, poiché l'assorbimento dipende in gran parte dalla struttura cristallina. Viene quindi utilizzato per caratterizzare sensori di luce a film sottile e celle fotovoltaiche.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE alla diffrazione di raggi X a cristallo singolo e a polvere. A questo punto dovresti avere familiarità con i principi della diffrattometria a raggi X, una procedura per ottenere modelli di diffrazione e alcune applicazioni. Come sempre, grazie per la visione!