DIFRACCIÓN DE RAYOS X (ANÁLISIS DE DIFRACTOGRAMAS) 

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Las propiedades de los materiales están condicionadas, no sólo por la naturaleza de los átomos que los componen, sino también por la manera en que estos átomos se unen unos con otros.

La tendencia es que los átomos se unan buscando la máxima estabilidad y siguiendo la configuración con la energía más baja posible. Esto hace que muchos materiales posean una determinada ordenación u organización repetitiva de sus átomos, son los llamados materiales cristalinos.

Estos tipos de materiales están compuestos por una red espacial de átomos distribuidos periódicamente y sin ningún hueco. La celdilla elemental es la unidad básica a partir de la cual podríamos reproducir el resto de la red y está definida por los parámetros a, b, c y α, β, Ɣ. Se han determinado sólo siete poliedros o sistemas cristalinos. Las 14 tipos de redes posibles, redes de Bravais, se constituyen a partir de los siete poliedros anteriores pero asociando una serie de puntos no sólo en los vértices, sino también en los centros del poliedro o también en el centro de las caras. Los índices de Miller, h, k y l nos definen los planos cristalográficos de una celda elemental en un eje de coordenadas.

La difracción de los Rayos X es un fenómeno físico que se produce al interaccionar un haz de rayos X, de una determinada longitud de onda, con un material cristalino produciendo una serie de interferencias ópticas constructivas dispersadas en determinadas direcciones del espacio. Con la Ley de Bragg podemos determinar los ángulos de las ondas electromagnéticas difractadas por un cristal y la distancia que separa a sus átomos.

nλ = 2 d sen θ

La radiación debe atravesar una apertura de espesor comparable a la longitud de onda de la radiación. Las longitudes de onda de los rayos X se miden en Angstroms y son similares a las distancias entre los átomos de las redes cristalinas, es decir se eligen de manera que la onda incidente sea la adecuada para la estructura del material que queremos determinar. Este tipo de rayos X “duros” se producen en los laboratorios de cristalografía o en las llamadas grandes instalaciones de sincrotrón.

Esta es una técnica indirecta que puede ser destructiva o no, dependiendo del equipo que utilicemos y por tanto condicionada a la necesidad de una toma de muestra. Su aplicación fundamental es la identificación cualitativa de la composición mineralógica de una determinada muestra cristalina. La técnica experimental consiste en la emisión de un haz de rayos X y la recepción de los rayos difractados por un detector a la vez que vamos variando el ángulo de incidencia para calcular la simetría del cristal y posteriormente asignar las distancias obteniendo las fases cristalinas de la muestra.

En el diagrama de difracción tenemos en el eje vertical la intensidad de los rayos X difractados en función de la suma del ángulo de incidencia y el de difracción (2θ). Los picos corresponden a los planos que producen difracción y se pueden relacionar con sus índices de Miller. En la realidad es bastante difícil determinar una sola sustancia, la mayoría de las muestras será heterogénea. También podemos realizar una estimación semicuantitativa obteniendo una proporción de los materiales con un pequeño margen de error.

A partir de este diagrama debemos identificar los patrones que se ajusten a los picos de mayor intensidad del difractograma. Si la muestra está constituida por varios minerales su difractograma será la suma de los difractogramas correspondientes a las fases cristalinas que componen la muestra.

Con una regla milimetrada se mide el ángulo 2θ (eje de abcisas) de cada reflexión, así como su intensidad absoluta (altura), colocando ambos valores en una tabla de 5 columnas. En la tercera columna, se colocan los valores de las intensidades relativas, obtenidas como porcentaje (al 100) de la más intensa. En la cuarta columna, se colocan los valores de espaciado dhkl obtenidos a partir de los valores de 2θ mediante la expresión de Bragg (2 d senθ = n λ, siendo n=1), sabiendo que para la obtención de los difractogramas se ha empleado radiación Kα de Cu (λ = 1,5405 Å). [1]

La ASTM (Asociación Americana para el Ensayo de Materiales) cuenta con una de las más extensas bases de datos, el PDF Podwer Data File, donde podremos comparar el resultado de nuestro diagrama con un gran número de sustancias cristalinas clasificadas entre otras maneras según en función de los espaciados de sus picos más intensos y ordenados de mayor a menor espaciado junto a las intensidades relativas.

Si hay coincidencia en los valores de los espaciados y en el orden de las intensidades relativas tendremos identificado el mineral.

Powder Cell es un programa que realiza simulaciones de los difractogramas de los materiales cristalinos, también realiza una ilustración de la estructura cristalina del material en cuestión. Podemos cambiar, igualmente, algunos de los parámetros de las estructuras cristalinas para comprobar cómo se van modificando los difractogramas, de esta manera podemos observar la relación entre la estructura cristalina de un material y su diagrama de difracción correspondiente.

Tenemos también la posibilidad de consultar las tablas donde se muestran las condiciones del experimento y los parámetros máximos de difracción de mineral, en este caso Calcita Bio. Podemos modificar la escala del diagrama para ver con más detalle algunas zonas.

ITA-MOS-01-2014.dat

ITA-MOS-01-2014.dat

Ilustración de los sistemas cristalinos de la IIIita, Calcita Bio y Cuarzo