XRD su Polveri

Introduzione

Le tecniche di diffrazione a raggi X vengono suddivise in due grandi rami : diffrazione da cristallo singolo e diffrazione da campioni policristallini o da polveri.
Il campione monocristallino è un cristallo perfetto (tutte le celle unitarie sono allineate perfettamente su tutta l’estensione) con una sezione trasversale di almento 0,3 mm. Il diffrattometro a cristallo singolo è usato principalmente per capire la struttura molecolare di nuovi composti, sia prodotti naturali che molecole artificiali.
La diffrazione da Polveri è invece principalmente utilizzata per l’identificazione di materiali solidi, ad esempio per l’identificazione dei minerali.

Nella diffrazione da polveri o da campioni policristallini è importante avere un campione con una superficie piana, liscia ed omogenea. Se possibile il campione va macinato fino ad ottenere particelle con dimensioni da 0.002mm a 0.005mm di sezione. Il campione ideale è omogeneo ed i cristalliti sono distribuiti casualmente. Il campione polverizzato viene pressato all’interno di un sample holder in modo da avere una superficie piana, liscia e regolare.

Nel campione abbiamo idealmente una distribuzione casuale di tutti i possibili piani cristallografici h, k, l. Solo i cristalliti che hanno i piani riflettenti (h, k, l) paralleli alla superfice del campione contribuiranno ai picchi di riflessione. Se avessimo un campione con distribuzione realmente “casuale”, ogni possibile riflessione da un dato insieme di piani h, k, l sarebbe prodotta un numero pressochè uguale di cristalliti. Sarebbe quindi sufficiente ruotare il campione lungo l’angolo di riflessione THETA per produrre tutti i possibili picchi di riflessione.

Il dispositivo meccanico che comprende il porta-campioni, il braccio del detector e gli ingranaggi associati è noto con il nome di goniometro. Il principio su cui si basa il goniometro di Bragg-Brentano (se il campione fosse curvato sulla circonferenza di focalizzazione avremmo un sistema di focalizzazione esatta) è mostrato nella immagine posta all’inizio dell’articolo.

La distanza dal punto focale dei raggi X al campione è la stessa che dal campione al rivelatore. Se muoviamo il portacampione e il rivelatore in una relazione 1: 2, il raggio riflesso (diffratto) rimarrà focalizzato su di un cerchio con raggio costante. Il detector si muove rimanendo su questo cerchio.
Nel goniometro THETA:2-THETA, il tubo x-ray è stazionario, il campione si muove di un angolo THETA ed il detector si muove simultaneamente di un angolo 2-THETA.

XRD su Polveri con il Tel-X-Ometer

Il nostro difrattometro, l’apparato Teltron Tel-X-Ometer Equipment, non è stato progettato per la diffrazione da polveri e la sua potenza è piuttosto piccola, nonostante queste limitazioni siamo riusciti a portare a termine alcuni interessanti esperimenti di diffrazione da polveri.

Prima di tutto abbiamo dovuto incrementare la corrente del tubo X al fine di aumentare l’intensità della radiazione X emessa. Il tubo X utilizzato prevede una corrente anodica di massimo 100 μA, che però non è sufficiente per ottenere la diffrazione da polveri perchè il segnale che si ottiene dai campioni polverizzzati è piuttosto debole. Infatti ci sono solo pocchi cristalliti che hanno la giusta orientazione rispetto al fascio e la superficie del campione non è mai perfettamente piatta. Per queste ragioni abbiamo dovuto incrementare la corrente fino a 250 μA. Questa operazione è piuttosto critica ed il tubo va controllato al fine di evitare che scaldi troppo e che il filamento si bruci !

Il secondo problema è costituito dal campione. Nell’apparato Teltron il campione in misura viene posizionato verticalmente e questo può causare la caduta di grani di polvere. Abbiamo risolto questo problema usando una semplice rondella, chiusa sul retro da nastro isolante e riempita con la polvere mescolata con olio di paraffina. questa sorta di “pasta” aderisce alla rondella e rimane in posizione verticale senza far cadere grani di polvere dal campione.

Nella immagine sotto mostriamo i campioni con polvere di Alluminio, Fluoruro di Litio (LiF), Cloruro di Sodio (NaCl) e Solfato di Rame.

Nella immagine sotto mostriamo la polvere di rame con relativo campione.

Nella immagine sotto mostriamo un campione sottoposto a misura.

Nei grafici sotto mostriamo i risultati delle misure XRD per polvere di Alluminio, polvere di Rame, Fluoruro di Litio e Cloruro di Sodio, anche questi polverizzati. Tutti questi materiali hanno struttura cristallina fcc, ed i corrispondenti massimi di diffrazione sono rispettivamente 111, 200 e 220 (con intensità diverse).
Tutti i massimi previsti sono, più o meno, presenti nei grafici quindi possiamo dire che i risultati ottenuti sono abbastanza buoni anche se la risoluzione spaziale non è molto elevata.

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