Рентгеновская дифракция

Рентгеновская дифракция (XRD) - это мощная аналитическая техника в областях химии, физики и материаловедения. Она используется в основном для анализа структуры кристаллических веществ. С помощью XRD исследователи могут определить расположение атомов в кристалле, измерить размеры кристалла и оценить чистоту и дефекты кристалла. Этот аналитический метод использует дифракцию электромагнитного излучения с длинами волн на атомном уровне — рентгеновские лучи — кристаллической решеткой.

Основы рентгеновской дифракции

Рентгеновские лучи - это форма электромагнитного излучения с длинами волн, обычно варьирующимися от 0,01 до 10 нанометров. В контексте XRD рентгеновские лучи, сгенерированные и сфокусированные на кристалл, взаимодействуют с кристаллической решеткой. Согласно закону Брэгга, когда эти рентгеновские лучи падают на кристалл, они рассеиваются в определенных направлениях. Закон Брэгга выражается математически как:

nλ = 2d sin θ

Где:

• n - порядок дифракции, целое число.
• λ - длина волны падающего рентгеновского пучка.
• d - расстояние между кристаллическими плоскостями решетки.
• θ - угол между падающим рентгеновским лучом и рассеивающими плоскостями.

Ключ к пониманию рентгеновской дифракции заключается в законе Брэгга, который связывает угол рассеяния с длиной волны падающих рентгеновских лучей и расстоянием между решетками кристалла. Когда эти критерии выполняются, происходит конструктивная интерференция, создавая наблюдаемый пик дифракции на детекторе.

Анализ кристаллической структуры

Основное применение рентгеновской дифракции - это определение кристаллических структур. Понимание структуры вещества на атомном уровне предоставляет глубокую информацию о его химических и физических свойствах. Например, кристаллическая структура минералов, биологических макромолекул, таких как белки, и других соединений может быть изучена с помощью XRD.

Порошковая рентгеновская дифракция (PXRD)

Порошковая XRD - это широко используемая форма рентгеновской дифракции с использованием поликристаллических или порошкообразных образцов. Этот метод прост и полезен для исследования материалов, которые не образуют большие единичные кристаллы или доступны в порошковой форме. Порошковые образцы обычно содержат случайный массив микрокристаллов, что обеспечивает изучение всех возможных кристаллографических ориентаций при воздействии рентгеновских лучей. Дифрагированная интенсивность измеряется в зависимости от угла рассеяния и преобразуется в узор, который можно сопоставить с известными стандартами.

PXRD узор = Интенсивность против 2θ (где 2θ - угол рассеяния)

Этот метод предоставляет важную информацию о размерах элементарной ячейки и может быть использован для качественной идентификации фаз путем сравнения экспериментальных дифракционных узоров с базами данных.

Рентгеновская дифракция единичных кристаллов

Рентгеновская дифракция единичных кристаллов используется для получения более детальной информации о трехмерном расположении атомов в кристалле. Образец представляет собой единичный кристалл, смонтированный на гониометре, который систематически вращается под рентгеновским пучком для сбора полного набора данных. Этот метод более сложен, чем PXRD, но предоставляет обширное представление об архитектуре кристалла.

Оборудование

Типовая установка для экспериментов с рентгеновской дифракцией включает несколько основных компонентов:

• Источник рентгеновских лучей: Это может быть запечатанная трубка или вращающийся анод, создающий рентгеновские лучи. Наиболее часто используемые длины волн - Mo Kα и Cu Kα.
• Держатель образца: Держит кристаллический образец, что может включать вращение образца для рандомизации ориентации в PXRD.
• Монохроматор: Выбирает излучение одной длины волны для улучшения четкости и разрешения дифракционных данных.
• Детектор: Измеряет интенсивность дифрагированных рентгеновских лучей. Современные детекторы используют устройства с зарядовой связью (CCD) для высокой чувствительности.

Образец и детектор выравниваются таким образом, чтобы детектор мог собирать данные в диапазоне углов (2θ), пока образец облучается рентгеновскими лучами.

Применение рентгеновской дифракции

Обнаружение фаз

Одно из наиболее важных применений XRD - идентификация фаз в поликристаллических материалах. Каждое соединение имеет уникальный XRD-узор (часто называемый "отпечатком пальца"), который позволяет идентифицировать фазы путем сравнения экспериментальных данных с эталонными узорами, хранящимися в базах данных, таких как Международный центр данных по дифракции (ICDD).

Определение размеров элементарной ячейки

XRD может точно измерить размеры элементарной ячейки, наименьшей повторяющейся единицы в кристаллической решетке. Эти размеры важны для характеристики кристаллической структуры и прогнозирования таких свойств, как плотность и тепловое расширение.

Анализ текстуры

Предпочтительная ориентация кристаллитов, известная как текстура, может быть изучена с помощью XRD. Анализ текстуры помогает понять, как кристаллографическая ориентация влияет на свойства материала, такие как прочность и пластичность.

Измерения напряжения

XRD может быть использована для определения изменений в расстояниях между решеточными плоскостями, вызванных напряжением в материале. Анализируя изменения дифракционных полос, ученые могут количественно оценить напряжение и деформацию, предоставляя ценную информацию в металлургии и материаловедении.

Размер кристаллитов и микродеформация

Уравнение Шеррера связывает ширину дифракционных пиков с размером кристаллитов:

D = (Kλ) / (βcosθ)

Где:

• K - коэффициент формы (обычно ~0,9).
• λ - длина волны рентгеновского луча.
• β - полуширина на полувысоте (FWHM) пика.
• θ - угол Брэгга.

Это уравнение помогает предсказать размер кристаллитов и оценить однородность материала. Оно особенно полезно для изучения наночастиц или тонких пленок.

Визуализация с примерами

XRD лучше всего понимается визуально. Рассмотрим простую кристаллическую структуру, такую как хлорид натрия (NaCl). Кристалл состоит из чередующихся ионов натрия и хлорида в кубической структуре. Если вы хотите изучить его дифракционный узор:

Предположим, что пучок рентгеновских лучей взаимодействует с этим кристаллом. Получаемый дифракционный узор будет иметь отчетливые пики, соответствующие плоскостям с высокой плотностью электронов, созданными чередованием ионов Na ⁺ и Cl ^-.

Последние достижения в рентгеновской дифракции

За последние несколько лет достижения в источниках рентгеновского излучения, детекторах и вычислительных технологиях значительно увеличили скорость, точность и диапазон применения XRD. Высокоточные детекторы и источники излучения синхротрона являются одними из улучшений, которые расширили возможности XRD, позволяя исследовать меньшие образцы и ускорять сбор данных.

Кроме того, интеграция с инструментами вычислительной химии обеспечивает более точные модели для изучения сложных материалов и биологических систем. Эта синергия помогает раскрывать информацию, которую было трудно получить с помощью традиционных методов анализа.

Заключение

Рентгеновская дифракция является незаменимым инструментом в аналитической химии и материаловедении. Ее способность предоставлять важную информацию о атомной структуре веществ делает ее необходимой для исследований и разработки в различных областях. От определения сложных биологических макромолекул до идентификации фаз в металлургической инженерии, XRD служит основой для многих научных исследований. По мере развития этой техники, ее применение будет продолжать расширяться, поддерживая дальнейшие открытия в различных дисциплинах.

Комментарии