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Solidi Cristallini e Solidi Amorfi

Introduzione

Silicio e ossigeno sono gli elementi più abbondanti sulla crosta terrestre. Il silicio si trova in natura sempre combinato chimicamente con l’ossigeno al quale si lega con il forte legame chimico Si-O. Questa semplice combinazione di elementi (Ossido di Silicio) è nota con il nome di Silice. Il biossido di silicio esiste in natura nella forma cristallina conosciuta come quarzo. In realtà il quarzo cristallizza con difficoltà ma i tempi “geologici” permettono di ottenere comunque cristalli ben definiti, ecco perchè è relativamente facile reperire cristalli di quarzo.
La forma amorfa delle silice è il vetro. Quando la silice fusa viene fatta raffreddare, il liquido molto viscoso composto da silicio ed ossigeno, a causa dei forti legami tra questi atomi, non riesce a riorganizzarsi in una matrice cristallina, e la struttura “caotica” del liquido si preserva in quello che a tutti gli effetti è un solido.
Il vetro è il prototipo del solido amorfo nel quale non vi è presenza di struttura regolare periodica, per questo motivo non produce riflessi Bragg ma soltanto uno scattering diffuso.

Analisi XRD

Le immagini sotto mostrano il setup del diffrattometro per le scansioni del vetro e del quarzo.

I grafici sotto mostrano il risultato delle scansioni XRD. Si vede come il quarzo presenta due evidenti picchi in corrispondenza alle riflessioni dei piani cristallini (100) e (200), mentre il vetro presenta soltanto uno scattering diffuso.

Per le riflessioni Bragg del quarzo compiliamo la seguente tabella utilizzando le seguenti formule :

  • λ = 0.1542 nm
  • d = λ / 2senθ
hkl d(nm)
 100  20.8  0.427
 200  42.6  0.424

I valori di d ottenuti sono congruenti fra loro, segno della correttezza delle ipotesi iniziali sui piani cristallografici. Inoltre sono vicini al valore corretto per la distanza interplanare del quarzo che risulta essere 0.426 nm.
Sappiamo che la struttura cristallina del quarzo è esagonale, come rappresentato nella immagine a lato, dove il lato della cella base sul piano a risulta essere 0.491 nm. La scansione xrd è stata fatta orientando il cristallo secondo uno dei piani del prisma quindi le riflessioni Bragg (100, 200) corrispondono ai piani paralleli alla faccia del prisma.
Da semplici considerazioni geometriche si verifica come a sia il lato del triangolo equilatero, mentre d corrisponde alla altezza, dal vertice al piede del lato.

Immagini Laue

Con il vetro e con il cristallo di quarzo abbiamo effettuato dei diffrattogrammi con la tecnica Laue. I risultati sono mostrati nelle immagini sotto.
Si vede come il vetro presenta solo uno scattering diffuso attorno alla traccia centrale del fascio trasmesso. Il quarzo invece produce una serie di spot di riflessione disposti su ellissi, segno evidente che si tratta di una struttura cristallina.

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