6.20: Tek Kristal ve Toz X-ışını Kırınımı

1. Tek Kristal XRD Verilerinin Toplanması

1. XRD için uygun kristaller yetiştirin. Daha fazla bilgi için lütfen Essentials of Organic Chemistry serisindeki "X-ışını Kırınım Analizi için Büyüyen Kristaller" ve İnorganik Kimya serisindeki "Dörtlü Metal-Metal Bağlı Bileşiğin Hazırlanması ve Karakterizasyonu" videolarına bakın.
2. Bir cam slayta bir damla paratone yağı ekleyin. Bir spatula ve az miktarda paratone yağı kullanarak, kristalleri büyütmek için kullanılan şişeden bazı kristaller alın ve bunları slayttaki yağ damlasına ekleyin.
3. Mikroskop altında, düzgün, iyi tanımlanmış kenarları olan bir kristal seçin.
4. Seçilen kristali uygun bir montaj parçası kullanarak alın (burada bir Kapton halkası kullanıyoruz). Kristale yapışan herhangi bir yağın, monte edildikten sonra minimum düzeyde olduğundan emin olun.
5. Alet kapılarını açın.
6. Montajı cihazdaki açıölçer kafasına takın.
7. Kristali, X-ışını ışınının konumuna göre ortalayın.
8. Alet kapılarını kapatın.
9. X-ışını kristalografisi için bir grafik kullanıcı arayüzü (GUI) olan APEX3 yazılım paketini açın.
10. Kısa bir veri toplama dizisi çalıştırın ve birim hücreyi belirleyin.
11. Birim hücre verilerine dayanarak, bir veri toplama stratejisi seçin ve tam bir veri toplama işlemi çalıştırın.
12. Uygun bir program kullanarak verileri çalışın. Burada APEX 3 paketinde SHELX kullanıyoruz.
13. Yapıyı uygun bir GUI'de rafine edin. Burada OLEX2'de SHELX kullanıyoruz.

2. Toz XRD için Numune Tutucuya Toz Numunesi Yükleme

NOT: Burada bir Si kristal sıfır arka plan tutucu kullanacağız. Farklı miktarlarda malzemeyi barındırabilen çeşitli alternatif numune tutucular vardır. Si kristal sıfır arka plan tutucusu, 20-120 ° 'den (Cu radyasyonu kullanılarak 2 θ) arka plan gürültüsü üretmez.

1. Si kristalinin üzerine ince gözenekli bir elek yerleştirin.
2. Numunenin yaklaşık 20 mg'ını elek üzerine dökün ve numunenin çoğunun doğrudan montaj üzerindeki Si kristalinin üzerinde olduğundan emin olun.
3. Tek katmanlı bir numune Si kristal yüzeyini kaplayana kadar eleği tezgah üstüne hafifçe vurun.
4. Numune tutucuyu sökün ve kristali tutucuya yerleştirin.

3. Bir Toz XRD Deseni Toplama

1. Alet kapılarını açın.
2. Numune tutucuyu cihaza monte edin.
3. Commander yazılım paketini açın (toz XRD desenlerini toplamak için kullanılan bir program).
4. "Sihirbaz" sekmesinde standart bir veri toplama taraması yükleyin.
5. Taramayı çalıştırmak için gereken süreyi seçin (20 dk). Aynı açı aralığında daha uzun bir tarama yapmak, daha iyi çözülmüş bir toz XRD modeli oluşturacaktır.
6. Taranacak açı aralığını (2 θ) seçin (5-70 °). Seçilen açı aralığı malzemeye bağlıdır. Burada verilen dalga boyu aralığı moleküler inorganik malzemeler için uygundur.
7. Veri toplamaya başlamak için "başlat" düğmesine basın.

X-ışını kırınımı, kristallerin yapılarını belirlemek için malzeme bilimi ve biyokimyada kullanılan yaygın bir analitik tekniktir.

Yapıyı araştırmak için X-ışınlarının yollarını kristaller boyunca izler. İki ana teknik var. Toz X-ışını kırınımı, kristalli bir türün fazlarını ve saflığını belirler. Tek X-ışını kırınımı, bir kristaldeki atomları ve konumlarını, ayrıca elektron yoğunluklarını, bağ uzunluklarını ve açılarını tanımlar.

Bu video, bir X-ışını difraktometresinin çalışmasını, hem tek kristal hem de toz X-ışını kırınımı için prosedürleri gösterir ve birkaç uygulamayı tartışır.

Kristal yapı kavramını inceleyerek ve X-ışınlarının kristallerle nasıl etkileşime girdiğini keşfederek başlayacağız.

Bir kristal, atomların periyodik bir konfigürasyonudur, yani düzenli aralıklarla tekrar eden geometrik bir atom modelidir. Bir kristalin tekrar eden en küçük elementine "birim hücre" denir. Ambalaj yapısı, boyutları ve yapışma açıları ile tanımlanır. "Miller indeksleri", birim hücrenin herhangi bir hayali düzlemsel kesitini tanımlar.

X-ışınları, dalga boyları kristallerdeki atomik aralığa benzer olan bir elektromanyetik dalga şeklidir. Tek bir X-ışını tek bir atoma çarptığında kırılır. İki tutarlı X-ışını farklı düzlemlerde atomlara çarptığında, kırılan X-ışınları etkileşime girerek yapıcı veya yıkıcı sinyallere neden olur.

Toz kristalli bir numunenin kırınım modeli, yapıcı girişim halkaları oluşturan yoğun noktalardan oluşur. Bu noktaların oluştuğu açılar, o düzlemdeki atomların aralığına karşılık gelir. Aralık, Bragg Yasası kullanılarak belirlenebilir.

Artık kristaller ve X-ışını kırınım modelleri hakkında bilgi edindiğimize göre, bir X-ışını difraktometresinin nasıl çalıştığına bakalım.

Bir X-ışını difraktometresi üç temel bileşenden oluşur: bir X-ışını kaynağı, bir numune ve bir dedektör. Tüm bileşenler, numune tutucu merkezde olacak şekilde eş düzlemli, dairesel bir düzenlemede yönlendirilir. Kaynak genellikle, elektronlar tarafından bombardıman edildiğinde, bir kolimasyonlu X-ışını demeti yayan bir bakır hedef içerir. Işın, X-ışınlarını kıran numuneye yönlendirilir. Numune ve dedektör daha sonra X-ışını yoğunluğu açıları belirlenene kadar zıt yönlerde döndürülür.

Yüksek X-ışını yoğunluğu, hem tek kristal hem de toz X-ışını kırınımında kristalografik bir düzlemin yapıcı girişimine karşılık gelir. Toz X-ışını kırıntımı, numunenin kristal yapısını ortaya çıkarırken, tek kristalli X-ışını kırınımı ayrıca atomların kimyasal içeriğini ve konumlarını ortaya çıkarır.

Şimdi, X-ışını difraktometrisinin pratik bir örneğini görelim.

Tek kristalli X-ışını kırınımı, safsızlıklar, tane sınırları veya diğer arayüzey kusurları içermeyen yüksek kaliteli kristaller gerektirir. Organo-molibden bileşiğinin kristallerini analiz etmek için ışık mikroskobuna getirin.

Temiz bir cam slayta bir damla paratone yağı ekleyerek başlayın. Daha sonra bir spatulaya az miktarda paraton yağı ekleyin ve kristalizasyon şişesinden bir miktar kristali bir slayt üzerine alın.

Kristalleri mikroskop altında inceleyin ve düzgün, iyi tanımlanmış kenarları olan bir kristal seçin. İdeal bir kristal seçildikten sonra, kristali almak için bir Kapton halkası kullanın ve kristale çok az yağ yapışmasını sağlayın.

Ardından, numuneyi yüklemek için difraktometre kapılarını açın. Kapton halkasını gonoimetre kafasına takın ve kristali X-ışını ışınına göre ortalayın. Sonra kapıları kapatın.

X-ışını kristalografi yazılımını açın ve birim hücrenin yapısını belirleyen kısa bir veri toplama dizisi çalıştırın. Bu verilere dayanarak, bir veri toplama stratejisi seçin ve tam veri toplamayı çalıştırın. Tam bir veri seti toplandıktan sonra, uygun bir program kullanarak verileri hazırlayın ve iyileştirin.

Tek kristal X-ışını kırınımı ile karşılaştırıldığında, toz X-ışını kırınımı, tek kristaller gerektirmeyen bir toplu karakterizasyon tekniğidir.

Uygun boyutta bir numune tutucu ve ilgilenilen açılardaki okumaları etkilemeyecek bir kırınım plakası seçin.

Kırınım plakasının üzerine ince gözenekli bir elek yerleştirin. Elek üzerine dikkatlice 20 mg numune ekleyin ve numuneyi plakanın üzerinde tutun. Tek bir toz tabakası oluşana kadar eleği tezgah üzerine hafifçe vurun.

kırınım plakasını numune tutucuya sabitleyin. Difraktometre kapaklarını açın ve numuneyi monte edin. Numune yuvasında kilitleme pimleri varsa, pimlerin yerine oturduğundan ve numune tutucunun kapıları kapatmadan önce sağlam olduğundan emin olun.

Uygun bir yazılım kullanarak standart bir veri toplama yöntemi yükleyin. Malzemeye uygun bir dizi tarama açısı girin. Ardından tarama süresini girin; Daha uzun bir tarama süresi, daha iyi çözünürlük sağlar. Ardından "başlat" a basın.

Şimdi, organo-molibden kompleksinin tek kristal ve toz X-ışını kırınımından elde edilen sonuçları karşılaştıralım.

Tek kristal X-ışını verilerinden, yapı içinde deneysel olarak belirlenmiş bağ uzunluklarını ve açılarını elde etmek için kullanılan elektron yoğunluğu haritasının yapısal bir modeli oluşturulur.

Ayrıca, toz XRD, bileşik hakkında ek bilgi sağlar. Spektrumun düz taban çizgisi, kullanılan numunenin oldukça kristal olduğunu gösterirken, kavisli taban çizgileri amorf malzemelerin göstergesidir.

X-ışını kırınımı, malzeme biliminin hemen hemen her alanında değerli bir karakterizasyon aracıdır ve bu nedenle çeşitli uygulamalarda rol oynar.

Miras sanatının korunmasının önemli bir bileşeni, sanat eserlerinin nasıl üretildiğini ve neden korozyona uğradıklarını anlamayı içerir. X-ışını kırınımındaki son gelişmeler, 1 mg'dan daha az numuneyi tahribatlı bir şekilde test ederek korozyonu inceler. Korozyon ürünleri nadiren monokristal olduğundan, toz X-ışını kırınımı gereklidir. Tipik analizler 2? 5-85 arası? 20 saatin üzerinde derece. Kristal içindeki atomların konumları algoritmik olarak optimize edilebilir, bu da kimyasal saldırıların yeri ve doğası hakkında fikir verir.

Kalınlıkları nanometrelerden mikrometrelere kadar değişen malzeme filmleri, dökme malzemelerinkinden farklı benzersiz koruyucu, elektriksel ve optik yeteneklere sahiptir. X-ışını kırınımı, film kalınlığı, yoğunluğu ve yüzey dokusu hakkında bilgi sağlar. Film stresini ve film arızası ve kırılma olasılığını belirlemek için kullanılır. Ayrıca, absorpsiyon büyük ölçüde kristal yapıya bağlı olduğundan, filmlerin optik davranışını karakterize etmeye yardımcı olur. Bu nedenle ince film ışık sensörlerini ve fotovoltaik hücreleri karakterize etmek için kullanılır.

JoVE'nin tek kristal ve toz X-ışını kırınımına girişini izlediniz. Artık X-ışını kırınım metrisinin ilkelerine, kırınım desenlerini elde etmek için bir prosedüre ve bazı uygulamalara aşina olmalısınız. Her zaman olduğu gibi, izlediğiniz için teşekkürler!