Diffrazione di raggi X Polvere in Conservazione Scienza: verso Routine di cristallo Struttura Determinazione di corrosione prodotti sul patrimonio Art Objects
8 giugno 2016
La moderna diffrazione di polvere a raggi X ad alta risoluzione (XRPD) in laboratorio viene utilizzata come strumento efficiente per determinare le strutture cristalline di prodotti di corrosione noti da tempo su oggetti storici.
L'obiettivo generale di questo metodo è quello di acquisire conoscenze sulla struttura cristallina dei micro e nano cristalli e dei prodotti di corrosione per comprendere meglio le reazioni di produzione e decadimento degli oggetti d'arte del patrimonio e per consentire un'analisi quantitativa completa delle miscele. Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave nel campo della scienza della conservazione, come ad esempio come è stato prodotto l'oggetto d'arte e perché è corroso. Il vantaggio principale di questa tecnica è che non richiede singoli cristalli ma solo piccole quantità di micro cristalli e polvere.
Sebbene questo metodo possa fornire informazioni sulla scienza della conservazione, può essere applicato anche ad altri campi come la scienza dei materiali, la chimica inorganica o la metallologia. Abbiamo scoperto che l'idea di questo metodo è stata quando abbiamo studiato un fenomeno di gradazione che recentemente è stato caratterizzato come corrosione metallica indotta dal vetro. A dimostrare la preparazione del campione e la raccolta dei dati sarà la signora Stefani, assistente tecnico chimico del nostro laboratorio.
Al microscopio digitale, prelevare con cura meno di un milligrammo di campione, uno da cabochon blu verdi opachi su una chiusura storica, utilizzando un ago sottile. Successivamente, macinare accuratamente il campione con un pestello in un piccolo mortaio di agata. Distribuire il campione tra due sottili lamine di poliammide trasparenti ai raggi X e montarle su un portacampioni a trasmissione con un'apertura centrale di otto millimetri di diametro.
Fissare il supporto del campione di trasmissione sul cerchio theta di un diffrattometro. Misurare il campione per 20 ore da cinque a 85 gradi due theta, con una larghezza del passo di 0,015 gradi due theta in modalità di trasmissione. Attiva la rotazione per ottenere migliori statistiche sulle particelle.
Il passo successivo consiste nell'eseguire una ricerca automatica dei picchi utilizzando la prima e la seconda derivata dei polinomi di Sovietske Golle di ordine basso. Per prima cosa avviare il programma software facendo doppio clic sull'icona, quindi fare clic su Carica file di scansione. Utilizzando il menu a discesa, selezionare i file di dati xy e quindi fare doppio clic sul file appropriato.
Ora espandi l'intervallo del file. Fare clic sulla scheda Profilo di emissione, selezionare Profilo di emissione del carico e scegliere il profilo desiderato. Quindi, fai clic sul pulsante Inserisci automaticamente picchi e deseleziona Rimuovi picchi K Alpha 2, dopo aver impostato la larghezza del picco su 0,12, imposta la soglia del rumore su 1,74 e premi il pulsante Aggiungi picchi.
Ingrandisci il modello, spostati sulla sezione desiderata dei picchi e quindi apri la finestra dei dettagli del picco. Imposta i picchi premendo il tasto sinistro del mouse. Quindi, fai clic su Fase di picchi.
Contrassegna tutti i picchi in giallo facendo clic su Posizione, quindi fai clic con il pulsante sinistro del mouse nella colonna contrassegnata in giallo, copia la selezione e seleziona Crea intervallo di indicizzazione. Deselezionate l'intervallo e selezionate Indicizzazione intervallo. Quindi seleziona tutti i reticoli bravais.
Successivamente, premere il pulsante Esegui. E Sì per continuare a indicizzare le soluzioni. Premere il pulsante Soluzioni e quindi evidenziare la prima soluzione facendo clic con il pulsante sinistro del mouse su uno.
Ora fai clic con il pulsante destro del mouse sulla soluzione evidenziata e copia la selezione. Deselezionate Indicizzazione intervallo, quindi selezionate l'intervallo. A questo punto premere Add hkl Phase, espandere l'intervallo e quindi espandere hkl Phase.
In Dettagli indicizzazione scegliere Incolla dettagli indicizzazione. In Sfondo modificare Ordine in otto, quindi selezionare il termine 1/X Bkg. Quindi, fai clic su Strumento.
Dopo aver impostato i raggi primario e secondario su 217,5 mm, selezionare Larghezza fessura ricevente in Rilevatore punti. In Modello assiale completo (Full Axial Model), impostate la lunghezza dell'origine, del campione e RS su sei mm. Ora fai clic su Correzioni e scegli l'errore 0
.Scegliere il fattore LP e impostare il valore su 27,3. Quindi fare clic su Varie e impostare Passaggi di convoluzione su 2. Selezionare Avvia X e impostare il valore su otto, quindi scegliere Fine X e impostare il valore su 75.
In Fare clic su Fase picchi, scegliere Elimina fase picchi e fare clic su Sì. A questo punto fare clic su hkl Phase e scegliere Microstructure. Dopo aver selezionato la dimensione del pianto L, scegliere la dimensione del pianto G, selezionare il ceppo L, scegliere il ceppo G e quindi premere il pulsante Esegui.
Infine, crea un elenco di picchi di vanteria adatti per il lancio della carica. Per la determinazione della struttura cristallina utilizzare il metodo dell'inversione di carica supportato dall'inclusione della formula tangente per trovare le posizioni della maggior parte degli atomi più pesanti. Innanzitutto, in File, seleziona Chiudi tutto e fai clic su Sì.
In Avvia, seleziona Avvia kernel. Dal menu a discesa Avvia (Launch), selezionare Imposta file INP (Set INP file), quindi selezionare il file di input preparato. Ora premere il pulsante Esegui e dopo circa 20.000 cicli premere il pulsante Stop e fare clic su OK. Successivamente, premere il pulsante della finestra di output temporaneo che mostra gli atomi selezionati, quindi premere il pulsante della finestra di dialogo Opzioni cloud.
Impostare N per selezionare su 45. Scegli la simmetria della larghezza e premi il pulsante Seleziona. Copia l'output temporaneo, salvalo in un file di testo e chiudi la finestra grafica di caricamento che gira.
Il passo successivo consiste nell'applicare il metodo di ottimizzazione globale della ricottura simulata per trovare le posizioni di tutti gli atomi non di idrogeno mancanti. Dal menu a discesa di avvio, selezionare Imposta file INP, quindi scegliere il file di input preparato. Premere il pulsante Esegui e dopo diverse migliaia di cicli premere il pulsante Stop e fare clic su Sì.
Il passaggio finale consiste nel disattivare la ricottura simulata e passare alla modalità di raffinazione Reitfeld commentando il comando appropriato. In Launch (Avvia), scegliere Set INP file (Imposta file INP) e selezionare il file di testo di input preparato. Infine, premi il pulsante Esegui e fai clic su Sì.
La diffrazione di polveri a raggi X ad alta risoluzione è stata utilizzata per determinare le strutture cristalline di due prodotti di corrosione noti da tempo su oggetti storici. Sono state eseguite misurazioni standard utilizzando un diffrattometro da polvere ad alta risoluzione da laboratorio all'avanguardia in trasmissione e la geometria di Debye Scherrer utilizzando raggi X monocromatici. La determinazione della struttura cristallina del primo campione è stata eseguita combinando iterativamente i metodi dello spazio reciproco e diretto con l'analisi di Fourier alle differenze.
La determinazione delle strutture cristalline di questi composti conferma l'esatta composizione, migliora la nostra comprensione dei meccanismi di decadimento e consente un'analisi quantitativa completa della fase dei prodotti di corrosione. Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere eseguita in un giorno se eseguita correttamente. Seguendo questa procedura possono essere eseguiti altri metodi come DTA, spettroscopia Raman ed EDX per ottenere informazioni complementari e aggiuntive riguardanti la composizione, il legame, le possibili transizioni di fase e la stabilità.
Dopo aver visto questo video dovresti avere una buona comprensione di come preparare i campioni, registrare i dati di diffrazione delle polveri appropriati, eseguire la riduzione dei dati e determinare la struttura cristallina del materiale microcristallino. Dopo il suo sviluppo, questa tecnica aprirà la strada ai ricercatori nel campo delle scienze della conservazione ed è non distruttiva, veloce e facile da usare.
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Panoramica
Questo articolo discute l'uso della moderna diffrazione a raggi X su polvere ad alta risoluzione (XRPD) come strumento per determinare le strutture cristalline dei prodotti di corrosione su oggetti storici. Il metodo mira a migliorare la comprensione delle reazioni di produzione e decadimento nella scienza della conservazione.
Componenti chiave dello studio
Area di scienza
- Scienza della conservazione
- Scienza dei materiali
- Chimica inorganica
Contesto
- Lo studio si concentra su strutture cristalline micro e nano.
- I prodotti di corrosione sono fondamentali per comprendere il decadimento degli oggetti artistici ereditari.
- Non sono richiesti singoli cristalli, consentendo l'analisi di campioni di piccole dimensioni.
- Il metodo ha applicazioni oltre alla conservazione, inclusa la scienza dei materiali.
Obiettivo dello studio
- Analizzare le strutture cristalline dei prodotti di corrosione.
- Comprendere i processi di produzione e corrosione degli oggetti artistici.
- Consentire l'analisi quantitativa delle miscele nella scienza della conservazione.
Metodi utilizzati
- Diffrazione a raggi X su polvere ad alta risoluzione (XRPD).
- Tecniche di preparazione del campione dimostrate da un assistente tecnico chimico.
- Metodi di raccolta dati per l'analisi di micro e nano cristalli.
- Indagine sui fenomeni di corrosione metallica indotta dal vetro.
Principali risultati
- Il metodo fornisce informazioni sulla struttura dei prodotti di corrosione.
- Facilita la comprensione delle reazioni di decadimento negli oggetti ereditari.
- Le applicazioni si estendono a vari campi oltre alla scienza della conservazione.
- Efficacia dimostrata con piccole quantità di materiale campione.
Conclusioni
- XRPD è uno strumento prezioso per la scienza della conservazione.
- La comprensione delle strutture cristalline aiuta a preservare gli oggetti ereditari.
- La versatilità del metodo consente applicazioni più ampie nella scienza dei materiali.
Domande frequenti
Executive Industry Relevance
Determining crystal structures of corrosion products enables mechanistic understanding of degradation pathways in heritage materials, supporting predictive modeling of environmental impacts. This approach provides structural insights that inform conservation strategies and material stability assessments. The method’s applicability to microcrystalline samples allows analysis of limited or irreplaceable specimens without destructive sampling.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables structural characterization of degradation products to clarify reaction mechanisms and environmental interactions.
- Operational Value: Supports hypothesis testing regarding formation conditions of corrosion layers on material interfaces.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Provides quantitative phase analysis of multicomponent corrosion systems for mixture deconvolution.
- Operational Value: Delivers reproducible structural data from microgram-scale samples, enabling high-throughput screening of degradation conditions.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Facilitates correlation between crystal structure and material stability under varying environmental stressors.
- Operational Value: Enables longitudinal monitoring of corrosion product evolution to inform predictive maintenance models.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into discovery workflows by providing structural data that informs mechanistic models of material degradation, supporting early-stage risk assessment in predictive development pipelines.
- Discovery Biology: Supports hypothesis-driven investigation of corrosion mechanisms through direct structural observation of product phases.
- Screening: Enables standardized, quantitative analysis of corrosion product mixtures across environmental condition variables.
- Analytics: Generates precise lattice parameters and atomic positions for Rietveld refinement and phase quantification.
- Translational Research: Connects atomic-scale structural data to macroscopic material performance predictions.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable capability for structural analysis of degradation products across material systems and conservation case studies.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Provides definitive crystal structure determination to reduce ambiguity in degradation mechanism assignment.
- Operational Value: Enables analysis of microcrystalline samples without single-crystal requirements, increasing sample accessibility.
- Strategic Value: Supports go/no-go decisions in material stabilization strategies by confirming active corrosion pathways.
- Portfolio Impact: Informs risk-adjusted prioritization of conservation interventions based on validated structural models of decay products.
Implementation Considerations
- Expertise in powder diffraction data collection, peak indexing, and crystal structure solution methods.
- Access to high-resolution laboratory XRPD instrumentation with transmission geometry capabilities.
- Standardized protocols for sample preparation to prevent preferred orientation and ensure particle statistics.
- Software infrastructure for charge flipping, simulated annealing, and Rietveld refinement workflows.
- Limitations include sensitivity to amorphous content and potential peak overlap in complex multiphase systems.
