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A difração de raios X é uma técnica analítica comum usada em ciência de materiais e bioquímica para determinar as estruturas dos cristais.
Ele traça os caminhos dos raios-X através de cristais para sondar a estrutura. Existem duas técnicas principais. A difração de raios X em pó determina as fases e a pureza de uma espécie cristalina. A difração de raios-X simples identifica os átomos em um cristal e suas localizações, bem como densidades eletrônicas, comprimentos de ligação e ângulos.
Este vídeo ilustra a operação de um difratômetro de raios X, procedimentos para difração de raios X de cristal único e pó e discute algumas aplicações.
Começaremos examinando o conceito de estrutura cristalina e explorando como os raios-X interagem com os cristais.
Um cristal é uma configuração periódica de átomos, ou seja, um padrão geométrico de átomos que se repetem em intervalos regulares. O menor elemento repetitivo de um cristal é chamado de "célula unitária". É descrito por sua estrutura de empacotamento, dimensões e ângulos de ligação. "Índices de Miller" descrevem quaisquer seções transversais planares fictícias da célula unitária.
Os raios X são uma forma de ondas eletromagnéticas cujos comprimentos de onda são semelhantes ao espaçamento atômico dos cristais. Quando um único raio-X atinge um átomo individual, ele é difratado. Quando dois raios-X coerentes atingem átomos em planos diferentes, os raios-X difratados interferem, resultando em sinais construtivos ou destrutivos.
O padrão de difração de uma amostra cristalina de pó é composto por manchas intensas, que formam anéis de interferência construtiva. Os ângulos em que esses pontos ocorrem correspondem ao espaçamento dos átomos nesse plano. O espaçamento pode ser determinado usando a Lei de Bragg.
Agora que aprendemos sobre cristais e padrões de difração de raios-X, vamos ver como funciona um difratômetro de raios-X.
Um difratômetro de raios X consiste em três componentes básicos: uma fonte de raios X, uma amostra e um detector. Todos os componentes são orientados em um arranjo circular coplanar com o suporte de amostra no centro. A fonte geralmente contém um alvo de cobre que, quando bombardeado por elétrons, emite um feixe de raios-X colimados. O feixe é direcionado para a amostra, que refrata os raios-X. A amostra e o detector são então girados em direções opostas, até que os ângulos de intensidade dos raios X sejam determinados.
A alta intensidade de raios-X corresponde à interferência construtiva de um plano cristalográfico em difração de raios-X de cristal único e de pó. A difração de raios X em pó revela a estrutura cristalina da amostra, enquanto a difração de raios X de cristal único revela adicionalmente o conteúdo químico e a localização dos átomos.
Agora, vejamos um exemplo prático de difratometria de raios-X.
A difração de raios X de cristal único requer cristais de alta qualidade sem impurezas, limites de grão ou outros defeitos interfaciais. Traga os cristais do composto de organo-molibdênio ao microscópio óptico para analisá-lo.
Comece adicionando uma gota de óleo de paratona a uma lâmina de vidro limpa. Em seguida, adicione uma pequena quantidade de óleo de paratona a uma espátula e coloque alguns cristais do frasco de cristalização em uma lâmina.
Examine os cristais ao microscópio e selecione um cristal com bordas uniformes e bem definidas. Depois que um cristal ideal for escolhido, use um laço Kapton para pegar o cristal, garantindo que um pouco de óleo grude no cristal.
Em seguida, abra as portas do difratômetro para carregar a amostra. Prenda o loop Kapton à cabeça do gonômetro, centralizando o cristal em relação ao feixe de raios-X. Em seguida, feche as portas.
Abra o software de cristalografia de raios-X e execute uma curta sequência de coleta de dados que estabelece a estrutura da célula unitária. Com base nesses dados, selecione uma estratégia de coleta de dados e execute a coleta completa de dados. Depois que um conjunto de dados completo for coletado, trabalhe os dados usando um programa adequado e refine-os.
Em comparação com a difração de raios X de cristal único, a difração de raios X em pó é uma técnica de caracterização em massa que não requer cristais únicos.
Escolha um suporte de amostra de tamanho apropriado e uma placa de difração que não afete as leituras nos ângulos de interesse.
Colocar uma peneira de malha fina sobre a placa de difração. Adicione cuidadosamente 20 mg de amostra à peneira, mantendo a amostra sobre a placa. Bata a peneira na bancada até formar uma monocamada de pó.
Fixar a placa de difração no suporte de amostras. Abra as portas do difratômetro e monte a amostra. Se o sample montagem tiver pinos de travamento, certifique-se de que os pinos estejam engatados e o sample suporte está seguro antes de fechar as portas.
Usando um software adequado, carregue um método de coleta de dados padrão. Insira uma variedade de ângulos de varredura adequados para o material. Em seguida, insira o tempo de verificação; Um tempo de varredura mais longo permite uma melhor resolução. Em seguida, pressione "iniciar".
Agora, vamos comparar os resultados obtidos com a difração de raios X de cristal único e pó do complexo organo-molibdênio.
A partir dos dados de raios-X de cristal único, é gerado um modelo estrutural do mapa de densidade de elétrons, que é usado para obter comprimentos e ângulos de ligação determinados experimentalmente dentro da estrutura.
Além disso, o XRD em pó fornece informações adicionais sobre o composto. A linha de base plana do espectro indica que a amostra usada é altamente cristalina, enquanto as linhas de base curvas são indicativas de materiais amorfos.
A difração de raios X é uma ferramenta de caracterização valiosa em praticamente todos os campos da ciência dos materiais e, portanto, desempenha um papel em diversas aplicações.
Um componente importante da conservação da arte patrimonial inclui a compreensão de como as obras de arte foram produzidas e por que elas corroem. Desenvolvimentos recentes na difração de raios X estudam a corrosão testando destrutivamente menos de 1 mg de amostra. Como os produtos de corrosão raramente são monocristalinos, a difração de raios X em pó é necessária. As análises típicas ocorrem em 2? entre 5-85? graus acima de 20 horas. As localizações dos átomos dentro do cristal podem ser otimizadas algoritmicamente, fornecendo informações sobre a localização e a natureza dos ataques químicos.
Filmes de materiais que variam de nanômetros a micrômetros de espessura têm habilidades protetoras, elétricas e ópticas únicas que diferem daquelas de materiais a granel. A difração de raios X fornece informações sobre a espessura, densidade e textura da superfície do filme. É usado para determinar a tensão do filme e a probabilidade de falha e quebra do filme. Também ajuda a caracterizar o comportamento óptico dos filmes, uma vez que a absorção depende em grande parte da estrutura cristalina. Portanto, é usado para caracterizar sensores de luz de filme fino e células fotovoltaicas.
Você acabou de assistir à introdução da JoVE à difração de raios-X de cristal único e pó. Agora você deve estar familiarizado com os princípios da difratometria de raios X, um procedimento para obter padrões de difração e algumas aplicações. Como sempre, obrigado por assistir!
