$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Dyfrakcja promieniowania rentgenowskiego jest powszechną techniką analityczną stosowaną w materiałoznawstwie i biochemii do określania struktur kryształów.
Śledzi ścieżki promieni rentgenowskich przez kryształy, aby zbadać strukturę. Istnieją dwie główne techniki. Dyfrakcja promieniowania rentgenowskiego w proszku określa fazy i czystość gatunków krystalicznych. Pojedyncza dyfrakcja promieniowania rentgenowskiego identyfikuje atomy w krysztale i ich położenie, a także gęstości elektronów, długości wiązań i kąty.
Ten film ilustruje działanie dyfraktometru rentgenowskiego, procedury dyfrakcji rentgenowskiej zarówno monokryształów, jak i proszków oraz omawia kilka zastosowań.
Zaczniemy od zbadania koncepcji struktury krystalicznej i zbadania, w jaki sposób promieniowanie rentgenowskie oddziałuje z kryształami.
Kryształ to okresowa konfiguracja atomów, czyli geometryczny wzór atomów, które powtarzają się w regularnych odstępach czasu. Najmniejszy powtarzający się element kryształu nazywany jest "komórką elementarną". Opisuje go struktura opakowania, wymiary i kąty wiązania. "Indeksy Millera" opisują wszelkie fikcyjne płaskie przekroje czynne komórki elementarnej.
Promieniowanie rentgenowskie jest formą fal elektromagnetycznych, których długości fal są podobne do odstępów atomowych w kryształach. Kiedy pojedynczy promieni rentgenowski uderza w pojedynczy atom, ulega on dyfrakcji. Kiedy dwa spójne promienie rentgenowskie uderzają w atomy w różnych płaszczyznach, dyfrakcyjne promieniowanie rentgenowskie interferuje, powodując konstruktywne lub destrukcyjne sygnały.
Wzór dyfrakcyjny próbki krystalicznej w proszku składa się z intensywnych plam, które tworzą pierścienie konstruktywnej interferencji. Kąty, pod którymi występują te plamy, odpowiadają odstępom między atomami w tej płaszczyźnie. Odstępy można określić za pomocą prawa Bragga.
Teraz, gdy dowiedzieliśmy się o kryształach i wzorcach dyfrakcji rentgenowskiej, przyjrzyjmy się, jak działa dyfraktometr rentgenowski.
Dyfraktometr rentgenowski składa się z trzech podstawowych elementów: źródła promieniowania rentgenowskiego, próbki i detektora. Wszystkie komponenty są zorientowane w współpłaszczyznowym, okrągłym układzie z uchwytem próbki pośrodku. Źródło zwykle zawiera miedzianą tarczę, która bombardowana elektronami emituje wiązkę skolimowanych promieni rentgenowskich. Wiązka jest skierowana na próbkę, która załamuje promienie rentgenowskie. Próbka i detektor są następnie obracane w przeciwnych kierunkach, aż do wyznaczenia kątów natężenia promieniowania rentgenowskiego.
Wysokie natężenie promieniowania rentgenowskiego odpowiada konstruktywnej interferencji przez płaszczyznę krystalograficzną zarówno w dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego monokryształu, jak i proszku. Dyfrakcja rentgenowska proszku ujawnia strukturę krystaliczną próbki, podczas gdy dyfrakcja rentgenowska monokryształu dodatkowo ujawnia zawartość chemiczną i położenie atomów.
Zobaczmy teraz praktyczny przykład dyfraktometrii rentgenowskiej.
Dyfrakcja promieniowania rentgenowskiego monokryształów wymaga wysokiej jakości kryształów bez zanieczyszczeń, granic ziaren lub innych defektów międzyfazowych. Przynieś kryształy związku organoorganicznego molibdenu do mikroskopu świetlnego, aby go przeanalizować.
Zacznij od dodania kropli oleju paratone do czystego szkiełka podstawowego. Następnie dodaj niewielką ilość olejku paratone do szpatułki i nabierz kilka kryształów z fiolki do krystalizacji na szkiełko.
Zbadaj kryształy pod mikroskopem i wybierz kryształ o jednolitych, dobrze zdefiniowanych krawędziach. Po wybraniu idealnego kryształu użyj pętli kaptonowej, aby podnieść kryształ, upewniając się, że niewiele oleju przyklei się do kryształu.
Następnie otwórz drzwiczki dyfraktometru, aby załadować próbkę. Przymocuj pętlę kaptonową do głowicy gonoimetru, centrując kryształ w stosunku do wiązki promieniowania rentgenowskiego. Następnie zamknij drzwi.
Otwórz oprogramowanie do krystalografii rentgenowskiej i uruchom krótką sekwencję zbierania danych, która ustala strukturę komórki elementarnej. Na podstawie tych danych wybierz strategię zbierania danych i uruchom pełne zbieranie danych. Po zebraniu pełnego zestawu danych opracuj dane za pomocą odpowiedniego programu i udoskonal je.
W porównaniu z dyfrakcją promieniowania rentgenowskiego monokryształów, dyfrakcja rentgenowska proszku jest techniką charakteryzacji masowej, która nie wymaga monokryształów.
Wybierz odpowiedniej wielkości uchwyt na próbkę i płytkę dyfrakcyjną, które nie będą miały wpływu na odczyty pod interesującymi Cię kątami.
Umieść sito o drobnych oczkach na płycie dyfrakcyjnej. Ostrożnie dodać 20 mg próbki do sita, trzymając próbkę nad płytką. Postukaj sitkiem o blat, aż utworzy się monowarstwa proszku.
Zamocować płytkę dyfrakcyjną w uchwycie na próbkę. Otwórz drzwiczki dyfraktometru i zamontuj próbkę. Jeśli uchwyt próbki ma kołki blokujące, upewnij się, że kołki są zatrzaśnięte, a uchwyt próbki jest zabezpieczony przed zamknięciem drzwi.
Za pomocą odpowiedniego oprogramowania załaduj standardową metodę zbierania danych. Wprowadź zakres kątów skanowania odpowiedni dla materiału. Następnie wprowadź czas skanowania; Dłuższy czas skanowania pozwala na uzyskanie lepszej rozdzielczości. Następnie naciśnij "start".
Porównajmy teraz wyniki uzyskane z dyfrakcji rentgenowskiej monokryształu i proszku kompleksu organo-molibdenowego.
Na podstawie danych rentgenowskich pojedynczych kryształów generowany jest model strukturalny mapy gęstości elektronów, który służy do uzyskania eksperymentalnie określonych długości i kątów wiązań w strukturze.
Ponadto proszek XRD dostarcza dodatkowych informacji o związku. Płaska linia bazowa widma wskazuje, że użyta próbka jest wysoce krystaliczna, podczas gdy zakrzywione linie podstawowe wskazują na materiały amorficzne.
Dyfrakcja promieniowania rentgenowskiego jest cennym narzędziem charakterystyki w praktycznie każdej dziedzinie materiałoznawstwa i dlatego odgrywa rolę w różnych zastosowaniach.
Głównym elementem konserwacji zabytków sztuki jest zrozumienie, w jaki sposób dzieła sztuki zostały wyprodukowane i dlaczego korodują. Najnowsze osiągnięcia w dyfrakcji rentgenowskiej badają korozję poprzez niszczące badanie próbki mniejszej niż 1 mg. Ponieważ produkty korozji rzadko są monokrystaliczne, wymagana jest dyfrakcja promieniowania rentgenowskiego w proszku. Typowe analizy odbywają się na poziomie 2? między 5-85? stopni powyżej 20 godzin. Położenie atomów w krysztale może być optymalizowane algorytmicznie, zapewniając wgląd w lokalizację i naturę ataków chemicznych.
Folie z materiałów o grubości od nanometrów do mikrometrów mają unikalne właściwości ochronne, elektryczne i optyczne, które różnią się od materiałów sypkich. Dyfrakcja rentgenowska dostarcza informacji o grubości, gęstości i teksturze powłoki. Służy do określania naprężeń folii oraz prawdopodobieństwa uszkodzenia i pęknięcia folii. Pomaga również scharakteryzować zachowanie optyczne folii, ponieważ absorpcja w dużej mierze zależy od struktury krystalicznej. Z tego względu służy do charakteryzowania cienkowarstwowych czujników światła i ogniw fotowoltaicznych.
Właśnie obejrzałeś wprowadzenie JoVE do dyfrakcji rentgenowskiej monokryształów i proszków. Powinieneś być teraz zaznajomiony z zasadami dyfraktometrii rentgenowskiej, procedurą uzyskiwania wzorów dyfrakcyjnych i niektórymi zastosowaniami. Jak zawsze, dziękujemy za oglądanie!
