Fonte: Tamara M. Powers, Dipartimento di Chimica, Texas A & M University
La cristallografia a raggi X è una tecnica che utilizza i raggi X per studiare la struttura delle molecole. Gli esperimenti di diffrazione a raggi X (XRD) vengono regolarmente eseguiti con campioni a cristallo singolo o in polvere.
XRD monocristallino:
L’XRD a cristallo singolo consente la determinazione assoluta della struttura. Con i dati XRD a cristallo singolo, è possibile osservare le posizioni atomiche esatte e quindi determinare le lunghezze e gli angoli di legame. Questa tecnica fornisce la struttura all’interno di un singolo cristallo, che non rappresenta necessariamente la maggior parte del materiale. Pertanto, devono essere utilizzati ulteriori metodi di caratterizzazione di massa per dimostrare l’identità e la purezza di un composto.
Polvere XRD:
A differenza dell’XRD a cristallo singolo, la polvere XRD esamina un ampio campione di materiale policristallino e quindi è considerata una tecnica di caratterizzazione di massa. Il modello di polvere è considerato una “impronta digitale” per un determinato materiale; fornisce informazioni sulla fase (polimorfo) e sulla cristallinità del materiale. Tipicamente, la polvere XRD viene utilizzata per studiare minerali, zeoliti, strutture metallo-organiche (MOF) e altri solidi estesi. La polvere XRD può anche essere utilizzata per stabilire la purezza di massa delle specie molecolari.
In precedenza, abbiamo visto come coltivare cristalli di qualità a raggi X (vedi video nella serie Essentials of Organic Chemistry). Qui impareremo i principi alla base di XRD. Raccoglieremo quindi sia i dati a cristallo singolo che in polvere su Mo2(ArNC(H)NAr)4, dove Ar = p-MeOC6H5.
Perché i raggi X?:
Quando si misura la distanza, è importante selezionare un’unità di misura che si trova sulla scala dell’oggetto da misurare. Ad esempio, per misurare la lunghezza di una matita, non si vorrebbe usare un metro di misura che ha solo gradazioni dei piedi. Allo stesso modo, se si volesse misurare la lunghezza di un’auto, sarebbe inappropriato usare un righello da 12 pollici con segni di cm. Pertanto, al fine di studiare i legami nelle molecole, è importante utilizzare una lunghezza d’onda della luce che corrisponda alla lunghezza di tali legami. I raggi X hanno lunghezze d’onda nell’intervallo Å, che corrisponde perfettamente alle distanze di legame tipiche (1-3 Å).
La cella unitaria:
Immagina di provare a descrivere tutte le molecole sulla punta di una penna. Se si approssima che è composto da 6,02 × 1023 molecole (o 1 mole), sembrerebbe quasi impossibile descrivere quell’oggetto a livello molecolare. La complessità di un oggetto è semplificata quando esiste come un cristallo, dove il contenuto di una cella unitaria può essere utilizzato per descrivere l’intera struttura. La cella unitaria di un cristallo è il volume minimo contenente un’unità ripetitiva di un solido. È definito come una “scatola” 3D con lunghezze a, b e c e angoli α, β e γ (Figura 1). La cella unitaria consente ai chimici di descrivere il contenuto di un cristallo utilizzando una frazione o un piccolo numero di atomi o molecole. Ripetendo la cella unitaria nello spazio, si può generare una rappresentazione 3D del solido.
Figura 1. Parametri delle celle unitarie.
Configurazione sperimentale:
XRD a cristallo singolo e polvere hanno configurazioni di strumentazione simili. Per xRD a cristallo singolo, un cristallo è montato e centrato all’interno del fascio di raggi X. Per la polvere XRD, un campione policristallino viene macinato in una polvere fine e montato su una piastra. Il campione (singolo o policristallino) viene irradiato con raggi X e i raggi X diffratti colpiscono un rivelatore. Durante la raccolta dei dati, il campione viene ruotato rispetto alla sorgente di raggi X e al rivelatore.
Esperimento a doppia fenditura:
Ricordiamo che la luce ha proprietà sia ondulate che particellari. Quando la luce monocromatica entra in due fessure, la proprietà ondulatoria della luce si traduce in luce che emana in modo sferico da ciascuna fessura. Quando le onde interagiscono, possono sommarsi (se le onde hanno la stessa lunghezza d’onda e fase) o annullarsi a vicenda (se le onde hanno la stessa lunghezza d’onda, ma hanno fasi diverse), che è chiamata interferenza costruttiva e distruttiva, rispettivamente. Il modello di luce risultante è costituito da una serie di linee, in cui le aree luminose rappresentano interferenze costruttive mentre le aree scure sono il risultato di interferenze distruttive.
Modelli di diffrazione tipici: monocristallino contro polvere:
Dopo l’irradiazione di un cristallo da parte dei raggi X, la radiazione viene diffratta all’interazione con la densità elettronica all’interno del cristallo. Proprio come le onde d’acqua nel classico esperimento a doppia fenditura della fisica, i raggi X diffratti interagiscono, con conseguenti interferenze costruttive e distruttive. In XRD, il modello di diffrazione rappresenta la densità elettronica dovuta agli atomi e ai legami all’interno del cristallo. Un tipico modello di diffrazione per un singolo cristallo è mostrato in (Figura 2). Si noti che il modello di diffrazione è composto da punti anziché da linee come nell’esperimento della doppia fenditura. In realtà, questi “spot” sono fette 2D di sfere tridimensionali. I cristallografi utilizzano un programma per computer per integrare le macchie risultanti al fine di determinare la forma e l’intensità dei raggi X diffratti. In un campione di polvere, i raggi X interagiscono con molti piccoli cristalli in orientamenti casuali. Pertanto, invece di vedere macchie, si osserva un modello di diffrazione circolare (Figura 3). Le intensità dei cerchi diffratti vengono quindi tracciate contro gli angoli tra l’anello e l’asse del fascio (indicato con 2θ) per dare un grafico a 2 dimensioni noto come modello di polvere.
Qui, raccoglieremo dati XRD a cristallo singolo e polvere su Mo2(ArNC(H)NAr)4 dove Ar = p-MeOC6H5, che è stato sintetizzato nel modulo “Preparazione e caratterizzazione di un composto quadruplicato metallo-metallo”.
Figura 2. Modello di diffrazione a cristallo singolo.
Figura 3. Polvere XRD: modello di diffrazione circolare.
1. Raccolta di dati XRD a cristallo singolo
2. Caricamento di un campione di polvere sul portase campioni per XRD in polvere
NOTA: Qui useremo un supporto di sfondo zero di cristallo Si. Esistono una varietà di porta campioni alternativi che possono ospitare diverse quantità di materiale. Il supporto di fondo zero a cristallo Si non produce alcun rumore di fondo da 20-120 ° (2 θ, utilizzando la radiazione Cu).
3. Raccolta di un modello XRD in polvere
La diffrazione a 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 a raggi X in polvere determina le fasi e la purezza di una specie cristallina. Una singola diffrazione a raggi X identifica gli atomi in un cristallo e le loro posizioni, nonché le 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 a raggi X sia a cristallo singolo che a polvere e discute alcune applicazioni.
Inizieremo esaminando il concetto di struttura cristallina ed esplorando come i raggi X interagiscono con i cristalli.
Un cristallo è una configurazione periodica di atomi, cioè un modello 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 imballaggio, dimensioni e angoli di legame. Gli “indici di Miller” descrivono qualsiasi sezione trasversale 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, causando segnali costruttivi o distruttivi.
Il modello di diffrazione di un campione cristallino di polvere è composto da macchie intense, che formano anelli di interferenza costruttiva. Gli angoli in cui si verificano questi punti 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 a raggi X, diamo un’occhiata a come funziona un diffrattometro a raggi X.
Un diffrattometro a raggi X è costituito da tre componenti di base: una sorgente di raggi X, un campione e un rivelatore. Tutti i componenti sono orientati in una disposizione circolare complanare con il porta campione 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 al campione, che rifrange i raggi X. Il campione e il rivelatore vengono quindi ruotati in direzioni opposte, fino a determinare gli angoli dell’intensità dei raggi X.
L’elevata intensità dei raggi X corrisponde all’interferenza costruttiva da parte di un piano cristallografico nella diffrazione a raggi X sia a cristallo singolo che in polvere. La diffrazione a raggi X in polvere rivela la struttura cristallina del campione, mentre la diffrazione a raggi X a cristallo singolo rivela inoltre il contenuto chimico e le posizioni degli atomi.
Ora, vediamo un esempio pratico di diffrattometria a raggi X.
La diffrazione a 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 paratono a un vetrino pulito. Quindi aggiungere una piccola quantità di olio di paratono 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, utilizzare un anello Kapton per raccogliere il cristallo, assicurando che poco olio si attacchi al cristallo.
Quindi, aprire le porte del diffrattometro per caricare il campione. Attaccare l’anello Kapton alla testa del gonoimetro, centrando il cristallo rispetto al fascio di raggi X. Quindi chiudi 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 di dati completo, elaborare i dati utilizzando un programma adatto e perfezionarlo.
Rispetto alla diffrazione a raggi X a cristallo singolo, la diffrazione a raggi X in polvere è una tecnica di caratterizzazione di massa che non richiede cristalli singoli.
Scegli un porta campioni di dimensioni appropriate e una piastra di diffrazione che non influisca sulle letture agli angoli di interesse.
Posizionare un setaccio a maglie sottili sopra la piastra di diffrazione. Aggiungere con attenzione 20 mg di campione al setaccio, mantenendo il campione sopra la piastra. Toccare il setaccio sul banco fino a formare un monostrato di polvere.
Fissare la piastra di diffrazione nel porta campioni. Aprire le porte 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 portasempio sia sicuro prima di chiudere le porte.
Utilizzando un software adatto, caricare un metodo di raccolta dati standard. Immettere una gamma di angoli di scansione adatti al materiale. Quindi inserire il tempo di scansione; un tempo di scansione più lungo consente una migliore risoluzione. Quindi premere “start”.
Ora, confrontiamo i risultati ottenuti dalla diffrazione a raggi X a singolo cristallo 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, la polvere XRD 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 a 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 nella diffrazione a 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 a raggi X della polvere. Le analisi tipiche avvengono a 2θ tra 5-85º gradi nell’arco di 20 ore. Le posizioni degli atomi all’interno del cristallo possono essere ottimizzate algoritmicamente, fornendo informazioni sulla posizione e la 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 a 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 a raggi X a cristallo singolo e polvere. Ora 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 aver guardato!
Figura 4. Struttura monocristallina di Mo2(ArNC(H)NAr)4 dove Ar = p-MeOC6H5.
Figura 5. Modello XRD in polvere di Mo2(ArNC(H)NAr)4 dove Ar = p-MeOC6H5.
In questo video, abbiamo imparato a conoscere la differenza tra XRD a cristallo singolo e in polvere. Abbiamo raccolto sia dati a cristallo singolo che in polvere su Mo2(ArNC(H)NAr)4, dove Ar = p-MeOC6H5.
L’XRD a cristallo singolo è una potente tecnica di caratterizzazione in grado di fornire la struttura assoluta di una molecola. Mentre la determinazione della struttura è la ragione più comune per cui i chimici usano XRD, ci sono una varietà di tecniche speciali a raggi X, come lo scattering anomalo e la fotocristalligrafia, che forniscono maggiori informazioni su una molecola.
Lo scattering anomalo può distinguere tra atomi di peso molecolare simili. Questa tecnica è particolarmente preziosa per la caratterizzazione di complessi di metalli eteropolinucleari (composti che hanno più di un atomo di metallo con identità diverse). Lo scattering anomalo è stato utilizzato anche nella cristallografia proteica come metodo per aiutare a risolvere la fase del fascio diffratto, che è importante per la determinazione della struttura.
La fotocristallinografia coinvolge XRD a cristallo singolo accoppiato alla fotochimica. Irradiando un campione con la luce allo stato solido, possiamo osservare piccoli cambiamenti strutturali e monitorare tali cambiamenti tramite XRD. Esempi di questa tecnica includono l’osservazione dell’isomerizzazione di una molecola mediante luce e la caratterizzazione di intermedi reattivi.
Powder XRD è un metodo di caratterizzazione non distruttivo che può essere utilizzato per ottenere informazioni sulla cristallinità di un campione. Inoltre, è una tecnica utile per analizzare miscele di materiali diversi. Come accennato in precedenza, i modelli di polvere sono come le impronte digitali: il modello risultante di un composto dipende da come gli atomi sono disposti all’interno del materiale. Pertanto, un modello di polvere determinato sperimentalmente può essere confrontato con una raccolta di modelli di diffrazione noti di materiali nel Centro internazionale per i dati di diffrazione. Ciò non solo fornisce informazioni sull’identità del prodotto isolato, ma consente anche agli scienziati di commentare il numero di composti presenti nel campione. Mentre la maggior parte dei modelli di diffrazione elencati nel database sono nella famiglia dei solidi estesi come minerali e zeoliti, si possono trovare esempi di molecole inorganiche.
X-ray diffraction is a common analytical technique used in materials science and biochemistry to determine the structures of crystals.
It traces the paths of X-rays through crystals to probe the structure. There are two major techniques. Powder X-ray diffraction determines the phases and purity of a crystalline species. Single X-ray diffraction identifies the atoms in a crystal and their locations, as well as electron densities, bond lengths, and angles.
This video illustrates the operation of an X-ray diffractometer, procedures for both single-crystal and powder X-ray diffraction, and discusses a few applications.
We’ll start by examining the concept of crystal structure, and exploring how X-rays interact with crystals.
A crystal is a periodic configuration of atoms, that is, a geometric pattern of atoms that repeat at regular intervals. The smallest repeating element of a crystal is called a “unit cell.” It is described by its packing structure, dimensions and bond angles. “Miller indices” describe any fictitious planar cross sections of the unit cell.
X-rays are a form of electromagnetic waves whose wavelengths are similar to the atomic spacing in crystals. When a single X-ray strikes an individual atom, it is diffracted. When two coherent X-rays strike atoms in different planes, the diffracted X-rays interfere, resulting in constructive or destructive signals.
The diffraction pattern of a powder crystalline sample is comprised of intense spots, which form rings of constructive interference. The angles at which these spots occur correspond to the spacing of atoms in that plane. The spacing can be determined using Bragg’s Law.
Now that we have learned about crystals and X-ray diffraction patterns, let’s look at how an X-ray diffractometer works.
An X-ray diffractometer consists of three basic components: an X-ray source, a specimen, and a detector. All components are oriented in a coplanar, circular arrangement with the sample holder at the center. The source usually contains a copper target, that, when bombarded by electrons, emits a beam of collimated X-rays. The beam is directed at the sample, which refracts the X-rays. The sample and the detector are then rotated in opposite directions, until the angles of X-ray intensity are determined.
High X-ray intensity corresponds to constructive interference by a crystallographic plane in both single-crystal and powder X-ray diffraction. Powder X-ray diffraction reveals the crystal structure of the sample, while single-crystal X-ray diffraction additionally reveals the chemical content and locations of atoms.
Now, let us see a practical example of X-ray diffractometry.
Single-crystal X-ray diffraction requires high-quality crystals without impurities, grain boundaries, or other interfacial defects. Bring the crystals of the organo-molybdenum compound to the light microscope to analyze it.
Begin by adding a drop of paratone oil to a clean glass slide. Then add a small amount of paratone oil to a spatula, and scoop some crystals from the crystallization vial onto a slide.
Examine the crystals under the microscope, and select a crystal with uniform, well defined edges. Once an ideal crystal is chosen, use a Kapton loop to pick up the crystal, ensuring little oil sticks to the crystal.
Next, open the diffractometer doors to load the sample. Attach the Kapton loop to the gonoimeter head, centering the crystal with respect to the X-ray beam. Then close the doors.
Open the X-ray crystallography software and run a short data collection sequence that establishes the structure of the unit cell. Based on this data, select a data collection strategy and run full data collection. Once a full data set has been collected, work up the data using a suitable program and refine it.
In comparison to single crystal X-ray diffraction, powder X-ray diffraction is a bulk characterization technique that does not require single crystals.
Choose an appropriately-sized sample holder and a diffraction plate that will not affect the readings at the angles of interest.
Place a fine mesh sieve over the diffraction plate. Carefully add 20 mg of sample to the sieve, keeping the sample over the plate. Tap the sieve on the benchtop until a monolayer of powder forms.
Secure the diffraction plate in the sample holder. Open the diffractometer doors and mount the sample. If the sample mount has locking pins, ensure the pins are engaged and the sample holder is secure before closing the doors.
Using a suitable software, load a standard data collection method. Enter a range of scan angles suitable for the material. Then enter the scan time; a longer scan time allows for better resolution. Then press “start”.
Now, let’s compare the results obtained from the single crystal and powder X-ray diffraction of the organo-molybdenum complex.
From the single crystal X-ray data, a structural model of the electron density map is generated, which is used to obtain experimentally determined bond lengths and angles within the structure.
Furthermore, the powder XRD provides additional information about the compound. The flat baseline of the spectrum indicates, that the sample used is highly crystalline, whereas curved baselines are indicative of amorphous materials.
X-ray diffraction is a valuable characterization tool in virtually every field of material science, and therefore plays a role in diverse applications.
A major component of heritage art conservation includes understanding how works of art were produced and why they corrode. Recent developments in X-ray diffraction study corrosion by destructively testing less than 1 mg of sample. Since corrosion products are rarely monocrystalline, powder X-ray diffraction is required. Typical analyses occur at 2θ between 5-85º degrees over 20 hours. The locations of atoms within the crystal may be optimized algorithmically, providing insight into the location and nature of chemical attacks.
Films of material ranging from nanometers to micrometers in thickness have unique protective, electrical, and optical abilities that differ from those of bulk materials. X-ray diffraction provides information on film thickness, density, and surface texture. It is used to determine film stress, and the likelihood of film failure and breakage. It also helps characterize the optical behavior of films, since absorption largely depends on crystal structure. It is therefore used to characterize thin film light sensors and photovoltaic cells.
You’ve just watched JoVE’s introduction to single-crystal and powder X-ray diffraction. You should now be familiar with the principles of X-ray diffractometry, a procedure for obtaining diffraction patterns, and some applications. As always, thanks for watching!
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