Монокристаллическая и порошковая рентгеновская дифракция

Рентгеновская дифракция — распространенный аналитический метод, используемый в материаловедении и биохимии для определения структуры кристаллов.

Он отслеживает пути рентгеновских лучей через кристаллы, чтобы исследовать структуру. Существует два основных метода. Порошковая рентгеновская дифракция определяет фазы и чистоту кристаллического вещества. Одиночная рентгеновская дифракция идентифицирует атомы в кристалле и их расположение, а также электронную плотность, длину связи и углы.

В этом видео показана работа рентгеновского дифрактометра, процедуры монокристаллической и порошковой рентгеновской дифракции, а также обсуждаются некоторые области применения.

Мы начнем с изучения концепции кристаллической структуры и изучения того, как рентгеновские лучи взаимодействуют с кристаллами.

Кристалл — это периодическая конфигурация атомов, то есть геометрическая структура атомов, повторяющихся через равные промежутки времени. Самый маленький повторяющийся элемент кристалла называется «элементарной ячейкой». Он описывается структурой упаковки, размерами и углами склеивания. «Индексы Миллера» описывают любые фиктивные плоские сечения элементарной ячейки.

Рентгеновские лучи — это форма электромагнитных волн, длина волн которых аналогична интервалу между атомами в кристаллах. Когда один рентгеновский луч попадает на отдельный атом, он дифрагирует. Когда два когерентных рентгеновских луча сталкиваются с атомами в разных плоскостях, дифрагированные рентгеновские лучи интерферируют, что приводит к конструктивным или разрушающим сигналам.

Дифракционная картина порошкового кристаллического образца состоит из интенсивных пятен, которые образуют кольца конструктивной интерференции. Углы, под которыми эти пятна возникают, соответствуют расстоянию атомов в этой плоскости. Расстояние между ними можно определить с помощью закона Брэгга.

Теперь, когда мы узнали о кристаллах и рентгеновских дифракционных картинах, давайте рассмотрим, как работает рентгеновский дифрактометр.

Рентгеновский дифрактометр состоит из трех основных компонентов: источника рентгеновского излучения, образца и детектора. Все компоненты ориентированы в компланарном круговом порядке с держателем образца в центре. Источник обычно содержит медную мишень, которая при бомбардировке электронами испускает пучок коллимированных рентгеновских лучей. Луч направляется на образец, который преломляет рентгеновские лучи. Затем образец и детектор вращаются в противоположных направлениях до тех пор, пока не будут определены углы интенсивности рентгеновского излучения.

Высокая интенсивность рентгеновского излучения соответствует конструктивной интерференции по кристаллографической плоскости как при монокристаллической, так и при порошковой рентгеновской дифракции. Порошковая рентгеновская дифракция позволяет выявить кристаллическую структуру образца, в то время как монокристаллическая рентгеновская дифракция дополнительно выявляет химический состав и расположение атомов.

Теперь давайте посмотрим на практический пример рентгеновской дифрактометрии.

Для монокристаллической рентгеновской дифракции требуются высококачественные кристаллы без примесей, границ зерен и других межфазных дефектов. Поднесите кристаллы органомолибденового соединения к световому микроскопу для его анализа.

Начните с добавления капли паратонового масла на чистое предметное стекло. Затем добавьте небольшое количество паратонового масла в шпатель и зачерпните несколько кристаллов из флакона для кристаллизации на предметное стекло.

Рассмотрите кристаллы под микроскопом и выберите кристалл с однородными, четко очерченными краями. После того, как идеальный кристалл выбран, используйте каптоновую петлю, чтобы захватить кристалл, следя за тем, чтобы масло немного прилипло к кристаллу.

Далее откройте дверцы дифрактометра, чтобы загрузить образец. Присоедините каптоновую петлю к головке гономера, центрируя кристалл по отношению к рентгеновскому лучу. Затем закройте дверцы.

Откройте программное обеспечение для рентгеновской кристаллографии и запустите короткую последовательность сбора данных, которая установит структуру элементарной ячейки. На основе этих данных выберите стратегию сбора данных и запустите полный сбор данных. После того, как будет собран полный набор данных, обработайте данные с помощью подходящей программы и уточните их.

По сравнению с монокристаллической рентгеновской дифракцией, порошковая рентгеновская дифракция является методом объемной характеризации, который не требует использования монокристаллов.

Выберите подходящий по размеру держатель образца и дифракционную пластину, которая не повлияет на показания под интересующими углами.

Поместите мелкоячеистое сито на дифракционную пластину. Осторожно добавьте 20 мг образца в сито, держа образец над пластиной. Постучите ситом по столешнице до образования монослоя порошка.

Закрепите дифракционную пластину в держателе образца. Откройте дверцы дифрактометра и установите образец. Если крепление для образца оснащено стопорными штифтами, перед закрытием дверей убедитесь, что штифты зацеплены и держатель образца надежно закреплен.

Используя подходящее программное обеспечение, загрузите стандартный метод сбора данных. Введите диапазон углов сканирования, подходящих для материала. Затем введите время сканирования; Более длительное время сканирования позволяет добиться лучшего разрешения. Затем нажмите «старт».

Теперь сравним результаты, полученные при монокристаллической и порошковой рентгеновской дифракции органо-молибденового комплекса.

На основе рентгеновских данных монокристаллов создается структурная модель карты электронной плотности, которая используется для получения экспериментально определенных длин и углов связей внутри структуры.

Кроме того, порошковая дифракция предоставляет дополнительную информацию о соединении. Плоская базовая линия спектра указывает на то, что используемый образец является высококристаллическим, в то время как изогнутые базовые линии указывают на аморфные материалы.

Рентгеновская дифракция является ценным инструментом для определения характеристик практически во всех областях материаловедения и, следовательно, играет роль в различных приложениях.

Одним из основных компонентов сохранения наследия является понимание того, как были созданы произведения искусства и почему они подвержены коррозии. Последние разработки в области рентгеновской дифракции изучают коррозию путем разрушающего испытания менее 1 мг образца. Поскольку продукты коррозии редко бывают монокристаллическими, требуется порошковая рентгеновская дифракция. Типичные анализы проводятся при 2? между 5-85? градусов за 20 часов. Расположение атомов внутри кристалла может быть оптимизировано алгоритмически, что дает представление о местоположении и характере химических атак.

Пленки из материала толщиной от нанометров до микрометров обладают уникальными защитными, электрическими и оптическими свойствами, которые отличаются от пленок сыпучих материалов. Рентгеновская дифракция предоставляет информацию о толщине, плотности и текстуре пленки. Он используется для определения напряжения пленки, а также вероятности разрушения и обрыва пленки. Он также помогает охарактеризовать оптические свойства пленок, так как поглощение во многом зависит от кристаллической структуры. Поэтому он используется для определения характеристик тонкопленочных датчиков света и фотоэлектрических элементов.

Вы только что посмотрели введение JoVE в монокристаллическую и порошковую рентгеновскую дифракцию. Теперь вы должны быть знакомы с принципами рентгеновской дифрактометрии, процедурой получения дифракционных картин и некоторыми приложениями. Как всегда, спасибо за просмотр!