DIFRACCIÓ DE RAIGS X (ANÀLISI DE DIFRACTOGRAMES) 

https://www.uvm.edu

Les propietats dels materials estan condicionades, no només per la natura dels àtoms que els componen, sinó també per la manera com aquests àtoms s’uneixen entre ells.

La tendència és que els àtoms s’uneixin buscant la màxima estabilitat i seguint la configuració amb l’energia més baixa possible. Això fa que molts materials presentin una determinada ordenació o organització repetitiva dels seus àtoms, són els anomenats materials cristal·lins.

Aquests tipus de materials estan formats per una xarxa espacial d’àtoms distribuïts periòdicament i sense cap buit. La cèl·lula elemental és la unitat bàsica a partir de la qual es pot reproduir la resta de la xarxa, i està definida pels paràmetres a, b, c i α, β, Ɣ. Només s’han determinat set poliedres o sistemes cristal·lins. Els 14 tipus de xarxes possibles, anomenades xarxes de Bravais, es constitueixen a partir d’aquests set poliedres, però associant una sèrie de punts, no només als vèrtexs, sinó també al centre del poliedre o al centre de les cares. Els índexs de Miller, h, k i l, defineixen els plans cristal·logràfics d’una cèl·lula elemental en un eix de coordenades.

La difracció dels raigs X és un fenomen físic que es produeix quan un feix de raigs X, d’una determinada longitud d’ona, interacciona amb un material cristal·lí, produint una sèrie d’interferències òptiques constructives dispersades en determinades direccions de l’espai. Amb la llei de Bragg podem determinar els angles de les ones electromagnètiques difractades per un cristall i la distància que separa els seus àtoms:

nλ = 2 d sen θ

La radiació ha de travessar una obertura amb un gruix comparable a la longitud d’ona de la radiació. Les longituds d’ona dels raigs X es mesuren en ångströms i són similars a les distàncies entre els àtoms de les xarxes cristal·lines, és a dir, es trien de manera que l’ona incident sigui adequada per a l’estructura del material que es vol determinar. Aquest tipus de raigs X “durs” es produeixen en laboratoris de cristal·lografia o en les anomenades grans instal·lacions de sincrotró.

Aquesta és una tècnica indirecta que pot ser destructiva o no, en funció de l’equip utilitzat, i per tant, condicionada a la necessitat de fer una presa de mostra. La seva aplicació fonamental és la identificació qualitativa de la composició mineralògica d’una mostra cristal·lina determinada. La tècnica experimental consisteix en l’emissió d’un feix de raigs X i la recepció dels raigs difractats per un detector, mentre es varia l’angle d’incidència per calcular la simetria del cristall i, posteriorment, assignar les distàncies per obtenir les fases cristal·lines de la mostra.

En el diagrama de difracció, tenim a l’eix vertical la intensitat dels raigs X difractats en funció de la suma de l’angle d’incidència i el de difracció (2θ). Els pics corresponen als plans que produeixen difracció i es poden relacionar amb els seus índexs de Miller. En realitat, és bastant difícil identificar una sola substància, ja que la majoria de les mostres són heterogènies. També podem fer una estimació semiquantitativa, obtenint una proporció dels materials amb un petit marge d’error.

A partir d’aquest diagrama, s’han d’identificar els patrons que s’ajustin als pics de major intensitat del difractograma. Si la mostra està formada per diversos minerals, el seu difractograma serà la suma dels difractogrames corresponents a les fases cristal·lines que componen la mostra.

Amb una regla mil·limetrada es mesura l’angle 2θ (eix de les abscisses) de cada reflexió, així com la seva intensitat absoluta (alçària), col·locant ambdós valors en una taula de cinc columnes. A la tercera columna, s’hi posen els valors d’intensitats relatives, obtingudes com a percentatge (respecte al 100%) de la més intensa. A la quarta columna, s’hi col·loquen els valors d’espaiament dhkl, obtinguts a partir dels valors de 2θ mitjançant l’expressió de Bragg (2d·senθ = nλ, amb n = 1), sabent que per a l’obtenció dels difractogrames s’ha emprat radiació Kα de Cu (λ = 1,5405 Å). [1]

L’ASTM (Associació Americana per a l’Assaig de Materials) compta amb una de les bases de dades més extenses: el PDF Powder Data File, on es pot comparar el resultat del nostre diagrama amb un gran nombre de substàncies cristal·lines, classificades, entre d’altres criteris, segons l’espaiament dels seus pics més intensos, ordenats de major a menor espaiament, juntament amb les intensitats relatives.

Si hi ha coincidència en els valors dels espaiaments i en l’ordre de les intensitats relatives, tindrem identificat el mineral.

Powder Cell és un programa que realitza simulacions de difractogrames de materials cristal·lins i, a més, il·lustra l’estructura cristal·lina del material en qüestió. També es poden modificar alguns dels paràmetres de les estructures cristal·lines per observar com varien els difractogrames, i d’aquesta manera, estudiar la relació entre l’estructura cristal·lina d’un material i el seu diagrama de difracció corresponent.

També tenim la possibilitat de consultar les taules on es mostren les condicions de l’experiment i els paràmetres màxims de difracció del mineral, en aquest cas Calcita Bio. Podem modificar l’escala del diagrama per visualitzar amb més detall algunes zones.

ITA-MOS-01-2014.dat

ITA-MOS-01-2014.dat

Il·lustració dels sistemes cristal·lins de la IIIita, Calcita Bio i Quars