Dyfrakcja proszków rentgenowskich w naukach konserwatorskich: w kierunku rutynowego oznaczania struktury krystalicznej produktów korozji na obiektach dziedzictwa kulturowego
8 czerwca 2016
Nowoczesna dyfrakcja proszkowa o wysokiej rozdzielczości rentgenowskiej (XRPD) w laboratorium jest używana jako skuteczne narzędzie do określania struktur krystalicznych znanych od dawna produktów korozji na obiektach historycznych.
Ogólnym celem tej metody jest zdobycie wiedzy na temat struktury krystalicznej mikro i nanokryształów oraz produktów korozji, aby lepiej zrozumieć reakcje produkcji i rozpadu obiektów sztuki dziedzictwa kulturowego oraz umożliwić pełną analizę ilościową mieszanin. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie nauk konserwatorskich, takie jak to, w jaki sposób obiekt artystyczny został wyprodukowany i dlaczego jest skorodowany. Główną zaletą tej techniki jest to, że nie wymaga monokryształów, a jedynie niewielkich ilości mikrokryształów i proszku.
Chociaż metoda ta może zapewnić wgląd w nauki o ochronie przyrody, może być również stosowana w innych dziedzinach, takich jak materiałoznawstwo, chemia nieorganiczna lub metalologia. Odkryliśmy, że pomysł na tę metodę zrodził się, gdy badaliśmy zjawisko gradacji, które ostatnio zostało scharakteryzowane jako korozja metalu wywołana szkłem. Przygotowanie próbki i zebranie danych zademonstruje Pani Stefani, asystentka techniczna ds. chemii z naszego laboratorium.
Pod mikroskopem cyfrowym ostrożnie wybierz mniej niż jeden miligram próbki z nieprzezroczystego niebiesko-zielonego kaboszonu na historycznym zapięciu za pomocą cienkiej igły. Następnie ostrożnie zmiel próbkę tłuczkiem w małym moździerzu agatów. Rozprowadzić próbkę między dwiema cienkimi przezroczystymi foliami poliamidowymi rentgenowskimi i zamontować je na uchwycie próbki transmisyjnej z centralnym otworem o średnicy ośmiu milimetrów.
Zamocuj uchwyt próbki transmisyjnej na okręgu theta dyfraktometru. Mierz próbkę przez 20 godzin od pięciu do 85 stopni dwóch theta, z szerokością kroku 0,015 stopnia dwie theta w trybie transmisji. Włącz rotację, aby uzyskać lepsze statystyki cząstek.
Następnym krokiem jest wykonanie automatycznego wyszukiwania pików przy użyciu pierwszej i drugiej pochodnej wielomianów Sovietske Golle niskiego rzędu. Najpierw uruchom program, klikając dwukrotnie ikonę, a następnie kliknij Załaduj pliki skanowania. Korzystając z menu rozwijanego, wybierz pliki danych xy, a następnie kliknij dwukrotnie odpowiedni plik.
Teraz rozszerz zakres pliku. Kliknij zakładkę Profil emisji, wybierz opcję Załaduj profil emisji i wybierz żądany profil. Następnie kliknij przycisk Automatycznie wstaw szczyty i odznacz Usuń szczyty K Alpha 2, po ustawieniu szerokości piku na 0,12 ustaw próg hałasu na 1,74 i naciśnij przycisk Dodaj szczyty.
Powiększ wzór, przejdź do żądanej sekcji szczytów, a następnie otwórz okno szczegółów szczytu. Ustaw szczyty, naciskając lewy przycisk myszy. Następnie kliknij Faza szczytów.
Zaznacz wszystkie szczyty na żółto, klikając Pozycja, a następnie kliknij lewym przyciskiem myszy w zaznaczonej na żółto kolumnie, skopiuj zaznaczenie i wybierz Utwórz zakres indeksowania. Usuń zaznaczenie zakresu i wybierz opcję Indeksowanie zakresu. Następnie zaznacz wszystkie kraty bravais.
Następnie naciśnij przycisk Uruchom. I tak, aby nadal indeksować rozwiązania. Naciśnij przycisk Rozwiązania, a następnie zaznacz pierwsze rozwiązanie, klikając lewym przyciskiem myszy.
Teraz kliknij prawym przyciskiem myszy podświetlone rozwiązanie i skopiuj zaznaczenie. Usuń zaznaczenie opcji Indeksowanie zakresu, a następnie wybierz zakres. W tym momencie naciśnij Dodaj fazę hkl, rozwiń zakres, a następnie rozwiń fazę hkl.
W obszarze Szczegóły indeksowania wybierz pozycję Wklej szczegóły indeksowania. W obszarze Tło zmień wartość Kolejność na osiem, a następnie wybierz termin 1/X Bkg. Następnie kliknij Instrument.
Po ustawieniu promienia głównego i wtórnego na 217,5 mm wybierz opcję Szerokość szczeliny odbiorczej w obszarze Detektor punktowy. W obszarze Full Axial Model (Pełny model osiowy) ustaw długość źródła, próbki i RS na sześć mm. Teraz kliknij Poprawki i wybierz błąd 0.
Wybierz współczynnik LP i ustaw wartość na 27,3. Następnie kliknij przycisk Różne i ustaw Kroki konwolucji na 2. Wybierz pozycję Rozpocznij X i ustaw wartość na osiem, a następnie wybierz pozycję Zakończ X i ustaw wartość na 75.
W obszarze Click Peaks Phase (Faza szczytów) wybierz opcję Delete Peaks Phase (Usuń fazę szczytów) i kliknij przycisk Yes (Tak). W tym momencie kliknij hkl Faza i wybierz Mikrostruktura. Po wybraniu Cry rozmiar L wybierz Cry rozmiar G, wybierz Szczep L, wybierz Szczep G, a następnie naciśnij przycisk Uruchom.
Na koniec utwórz listę szczytów przechwałek odpowiednich do przerzucania ładunku. Do wyznaczania struktury krystalicznej należy użyć metody odwracania ładunku wspartej włączeniem wzoru na styczne, aby znaleźć pozycje większości cięższych atomów. Najpierw w obszarze Plik wybierz opcję Zamknij wszystko i kliknij przycisk Tak.
W obszarze Uruchom wybierz pozycję Uruchom jądro. Z menu rozwijanego Uruchom wybierz Ustaw plik INP , a następnie wybierz przygotowany plik wejściowy. Teraz naciśnij przycisk Uruchom, a po około 20 000 cykli naciśnij przycisk Stop i kliknij OK. Następnie naciśnij przycisk tymczasowego okna wyjściowego wyświetlającego wybrane atomy, a następnie naciśnij przycisk okna dialogowego Opcje chmury.
Ustaw N na pick na 45. Wybierz symetrię szerokości i naciśnij przycisk Wybierz. Skopiuj tymczasowe wyjście, zapisz je w pliku tekstowym i zamknij okno graficzne z przerzucaniem ładunku.
Następnym krokiem jest zastosowanie globalnej metody optymalizacji symulowanego wyżarzania w celu znalezienia pozycji wszystkich brakujących atomów innych niż wodor. Z menu rozwijanego uruchamiania wybierz Ustaw plik INN, a następnie wybierz przygotowany plik wejściowy. Naciśnij przycisk Uruchom, a po kilku tysiącach cykli naciśnij przycisk Stop i kliknij Tak.
Ostatnim krokiem jest wyłączenie symulowanego wyżarzania i przełączenie się w tryb uszlachetniania Reitfelda poprzez zakomentowanie odpowiedniego polecenia. W obszarze Uruchom wybierz Ustaw plik INP i wybierz przygotowany wejściowy plik tekstowy. Na koniec naciśnij przycisk Uruchom i kliknij Tak.
Dyfrakcja proszkowa promieniowania rentgenowskiego o wysokiej rozdzielczości została wykorzystana do określenia struktury krystalicznej dwóch znanych od dawna produktów korozji na obiektach zabytkowych. Wykonano standardowe pomiary przy użyciu najnowocześniejszego laboratoryjnego dyfraktometru proszkowego o wysokiej rozdzielczości w transmisji oraz geometrii Debye Scherrer z wykorzystaniem monochromatycznego promieniowania rentgenowskiego. Określenie struktury krystalicznej próbki pierwszej przeprowadzono poprzez iteracyjne połączenie metod odwrotności i przestrzeni bezpośredniej z różnicową analizą Fouriera.
Określenie struktur krystalicznych tych związków potwierdza dokładny skład, pogłębia nasze zrozumienie mechanizmów rozpadu i pozwala na pełną ilościową analizę fazową produktów korozji. Po opanowaniu tej techniki można ją wykonać w ciągu jednego dnia, jeśli jest wykonywana prawidłowo. Zgodnie z tą procedurą można zastosować inne metody, takie jak DTA, spektroskopia Ramana i EDX, w celu uzyskania uzupełniających i dodatkowych informacji dotyczących składu, wiązania, możliwych przejść fazowych i stabilności.
Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak przygotować próbki, zarejestrować odpowiednie dane dyfrakcji proszkowej, przeprowadzić redukcję danych i określić strukturę krystaliczną materiału mikrokrystalicznego. Po opracowaniu technika ta utoruje drogę naukowcom w dziedzinie nauk konserwatorskich i jest nieniszcząca, szybka i łatwa w użyciu.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Ten artykuł omawia zastosowanie nowoczesnej wysokiej rozdzielczości rentgenowskiej dyfrakcji proszku (XRPD) jako narzędzia do określania struktur krystalicznych produktów korozji na historycznych obiektach. Metoda ma na celu zwiększenie zrozumienia reakcji produkcji i rozpadu w nauce o konserwacji.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Nauka o konserwacji
- Nauka materiałowa
- Chemia nieorganiczna
Tło
- Badanie koncentruje się na mikroskopijnych i nanokrystalicznych strukturach.
- Produkty korozji są kluczowe dla zrozumienia procesów rozpadu dzieł sztuki dziedzictwa.
- Nie są wymagane pojedyncze kryształy, co pozwala na analizę małych próbek.
- Metoda ma zastosowania poza konserwacją, w tym w nauce o materiałach.
Cel badania
- Analiza struktur krystalicznych produktów korozji.
- Zrozumienie procesów produkcji i korozji obiektów sztuki.
- Umożliwienie ilościowej analizy mieszanin w nauce o konserwacji.
Zastosowane metody
- Wysokiej rozdzielczości rentgenowska dyfrakcja proszku (XRPD).
- Techniki przygotowania próbek demonstrowane przez asystenta chemiczno-technicznego.
- Metody zbierania danych do analizy mikro i nanokryształów.
- Badanie zjawiska korozji metali indukowanej szklanym materiałem.
Główne wyniki
- Metoda zapewnia wgląd w strukturę produktów korozji.
- Ułatwia zrozumienie reakcji rozpadu w obiektach dziedzictwa.
- Zastosowania obejmują różne dziedziny poza nauką o konserwacji.
- Wykazano skuteczność z małymi ilościami materiału próbkowego.
Wnioski
- XRPD jest cennym narzędziem w nauce o konserwacji.
- Zrozumienie struktur krystalicznych pomaga w zachowaniu obiektów dziedzictwa.
- Wszechstronność metody pozwala na szersze zastosowania w nauce o materiałach.
Często zadawane pytania
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.
