X線回折
X線回折(XRD)は、化学、物理学、材料科学の分野で広く使用される強力な分析技術です。主に結晶性物質の構造を分析するために使用されます。XRDを使用すると、研究者は結晶内の原子の配置を決定し、結晶の寸法を測定し、結晶の純度と欠陥を評価することができます。この分析法は、原子スケールの波長を持つ電磁放射線であるX線による結晶格子の回折を利用しています。
X線回折の基本
X線は、通常0.01から10ナノメートルの範囲の波長を持つ電磁放射線の一種です。XRDの文脈では、生成され結晶に焦点を当てたX線が結晶格子と相互作用します。ブラッグの法則によれば、これらのX線が結晶に当たると、特定の方向に散乱されます。ブラッグの法則は次のように数学的に表されます。
nλ = 2d sin θ
ここで:
n
は回折の次数(整数)です。λ
は入射X線の波長です。d
は結晶面間の距離です。θ
は入射X線と散乱面との間の角度です。
X線回折を理解する鍵は、ブラッグの法則にあります。これは、入射X線の波長と結晶の格子間隔に関連する散乱角を表します。これらの基準が満たされると、建設的干渉が発生し、検出器で観測できる回折ピークが生成されます。
結晶構造の分析
X線回折の主な用途は結晶構造の決定です。物質の原子レベルでの構造を理解することは、その化学的および物理的特性についての詳細な情報を提供します。たとえば、鉱物やタンパク質のような生物学的高分子、その他の化合物の結晶構造をXRDを通じて解析することができます。
粉末X線回折(PXRD)
粉末XRDは、多結晶または粉末状のサンプルを扱うX線回折の広く使用されている形式です。この方法は簡単で、大きな単結晶を形成しないまたは粉末状で利用可能な材料を調査するのに有利です。粉末状サンプルは通常、ランダムな配列の微結晶を含んでおり、X線放射にさらされるとすべての可能な結晶の配向が試されます。散乱角度の関数として回折強度を測定し、既知の標準に照らしてパターンに変換されます。
PXRDパターン = 強度対2θ (2θは散乱角)
この技術は、ユニットセルの寸法に関する重要な情報を提供し、実験的回折パターンを確立されたデータベースとの比較による定性的相識別に使用できます。
単結晶X線回折
単結晶XRDは、結晶内の原子の三次元配置に関する詳細な情報を得るために使用されます。サンプルは単結晶で、ゴニオメータに取り付けられ、完全なデータセットを構築するために系統的に回転されます。この方法はPXRDよりも複雑ですが、結晶の構造に関する詳細な洞察を提供します。
設備
X線回折実験の典型的なセットアップには、いくつかの主要なコンポーネントが含まれます:
- X線源: 封管または回転陽極がX線を生成します。最も一般的に使用される波長はMo KαおよびCu Kαです。
- サンプルホルダー: 結晶サンプルを保持し、PXRDで配向をランダム化するためにサンプルを回転させることがあります。
- モノクロメータ: 回折データの明瞭さと解像度を向上させるために単一波長の放射線を選択します。
- 検出器: 回折されたX線の強度を測定します。最新の検出器は高感度のためにCCDを使用します。
サンプルと検出器は、サンプルがX線に照射される際に、検出器が角度範囲(2θ)でデータを収集できるように配置されます。
X線回折の応用
位相検出
XRDの最も重要な応用の一つは、多結晶材料の位相を識別することです。それぞれの化合物は、国際回折データセンター(ICDD)のデータベースに保存されている参照パターンとの実験データと比較することにより、位相識別が可能な一意のXRDパターン(「指紋」と呼ばれることがあります)を有しています。
ユニットセル寸法の決定
XRDは、結晶格子の最小反復単位であるユニットセルの寸法を正確に測定できます。これらの寸法は、結晶構造を特徴付け、密度や熱膨張などの特性を予測するのに重要です。
テクスチャ分析
クリスタライトの好ましい配向(テクスチャ)は、XRDによって調査できます。テクスチャ分析は、結晶学的配向が材料特性(強度や延性など)にどのように影響するかを理解するのに役立ちます。
ひずみ測定
XRDは、材料におけるストレスによって引き起こされる格子間隔の変化を決定するために使用できます。回折縞の変化を分析することにより、科学者はストレスとひずみを定量化し、冶金学や材料工学に貴重な情報を提供します。
結晶粒径と微小ひずみ
シェラー方程式は、回折ピークの幅を結晶粒径に関連付けます:
D = (Kλ) / (βcosθ)
ここで:
K
は形状係数(通常は約0.9)。λ
はX線の波長です。β
はピークの半値全幅(FWHM)です。θ
はブラッグ角です。
この方程式は、結晶粒径を予測し、材料の均一性を評価するのに役立ちます。特にナノ粒子や薄膜の理解に役立ちます。
例を用いた視覚化
XRDは視覚的に理解するのが最良です。簡単な結晶構造として、塩化ナトリウム(NaCl)を考えてみましょう。結晶は立方体の配置で、ナトリウムイオンと塩化物イオンが交互に存在します。その回折パターンを観察したい場合:
X線のビームがこの結晶と相互作用すると仮定します。生成される回折パターンは、Na+ と Cl- イオンの交互によって生成される高電子密度平面に対応する明確なピークを持ちます。
X線回折の最近の進展
ここ数年で、X線源、検出器、計算技術の進歩により、XRDの応用範囲が劇的に拡大し、迅速、正確でより多様な応用が可能になりました。高解像度の検出器とシンクロトロン放射源は、XRDの能力を広げ、小さなサンプルの調査やより高速なデータ収集を可能にします。
さらに、計算化学ツールとの統合により、複雑な材料や生物システムのより正確なモデルが提供されます。この相乗効果により、従来の分析方法では得られにくかった情報が明らかになります。
結論
X線回折は、分析化学と材料科学において不可欠なツールです。物質の原子構造に関する重要な情報を提供する能力により、さまざまな分野での研究開発に欠かせないものとなっています。複雑な生物学的高分子の構造解明から冶金工学で의相識別まで、XRDは多くの科学的探査の基盤として機能します。この技術が進化する中で、その応用は多様な分野でさらなる発見を支えるために拡大し続けるでしょう。