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Introduzione
La diffrazione da fibra è una branca della tecnica della diffrazione, una tecnica in cui la struttura molecolare è determinata dai dati di diffrazione (solitamente di raggi X, elettroni o neutroni). Nella diffrazione da fibra il pattern di scattering non cambia quando il campione viene ruotato attorno ad un unico asse (l’asse della fibra). Questa simmetria uniassiale è frequente nei filamenti e nelle fibre composte da molecole biologiche o da polimeri artificiali.
Il pattern di diffrazione prodotto da una fibra ideale mostra una simmetria a 4-quadranti. Nel pattern ideale l’asse della fibra è chiamato meridiano (o asse di rotazione), la direzione perpendicolare è chiamata equatore. Nel caso di una fibra vengono prodotte, nello schema di diffrazione, molte più riflessioni che nel caso di un cristallo singolo. Nei pattern di diffrazione delle fibre queste riflessioni appaiono chiaramente disposte lungo delle linee (layer lines) che corrono parallelamente all’equatore. Conseguentemente, nella diffrazione da fibre le layer lines rendono “palpabile” il concetto di piano cristallografico. Le riflessioni vengono etichettate con gli indici di Miller hkl, i.e. 3 cifre. Le riflessioni sulla linea di strato i-esimo condividono l=i. Le riflessioni sul meridiano hanno terna 00l. Pattern di diffrazione da fibra possono venire generati anche dalla rotazione di un monocristallo attorno ad un asse (rotating crystal method).
La diffrazione da fibre è una tecnica molto utilizzata per lo studio delle lunghe catene polimeriche, comprese le molecole biologiche. Ad esempio i modelli originali di Watson-Crick sulla doppia elica del DNA sono stati ottenuti a partire dalle immagini di diffrazione del DNA ottenute di Rosalind Franklin come raffigurato nella seguente classica immagine :
Nei paragrafi seguenti mostriamo alcuni esempi di diffrazione di raggi X ottenuti da campioni che hanno una struttura fibrosa.
Sericolite
Selenite, sericolite, rosa del deserto, e alabastro sono quattro varietà di gesso minerale; tutte e quattro le varietà mostrano una evidente struttura cristallina. Le quattro varietà “cristalline” di gesso sono talvolta raggruppate insieme e chiamate selenite.
Tutte le varietà di gesso, tra cui selenite e alabastro, sono composte da solfato di calcio diidrato (nel senso che ha due molecole di acqua), con la formula chimica CaSO4·2H2O.
La sericolite è composta da un grande numero di fibre cristalline di gesso. Le immagini a lato e sotto mostrano un campione di sericolite e alcune fibre cristalline osservate al microscopio a ingrandimenti crescenti. La struttura fibrosa è conservata anche a grandi ingrandimenti. Nell’immagine a parte c’è un piccolo campione di sericolite pronto per essere analizzato attraverso la diffrazione dei raggi x
Nell’immagine sotto c’è il pattern di diffrazione dei raggi X ottenuto da una fibra di sericolite. La fibra è stata posizionata verticalmente, quindi l’asse di rotazione è verticale ed è indicato dalla linea tratteggiata. La linea nel mezzo – perpendicolare all’asse – è il cosiddetto equatore.
Crisotilo (Asbesto)
Il Crisotilo è un minerale appartenente alla classe dei silicati, sottoclasse fillosilicati. È uno dei minerali del gruppo dell’amianto, di gran lunga il più estratto. Molto ricercato per via delle sue proprietà fibrose, di incombustibilità e di bassa conducibilità termica, ha però gravi conseguenze sull’organismo umano proprio per via della sua natura fibrosa. Esistono tre politipi del crisotilo dei quali il clinocrisotilo è di gran lunga il più comune, l’ortocrisotilo è raro ed il paracrisotilo è molto raro.
Nell’immagine sotto c’è il pattern di diffrazione dei raggi X ottenuto da una fibra di crisotilo. La fibra è stata posizionata verticalmente, quindi l’asse di rotazione è verticale ed è indicato dalla linea tratteggiata. Nell’immagine si può vedere la linea centrale: il cosiddetto equatore.
Fibre di Carbonio
La fibra di carbonio è un materiale avente una struttura filiforme, molto sottile, realizzato in carbonio, utilizzato in genere nella realizzazione di una grande varietà di “materiali compositi”, che sono così chiamati in quanto sono costituiti da due o più materiali, che in questo caso sono le fibre di carbonio e una cosiddetta matrice, in genere di resina (ma può essere in altro materiale plastico o in metallo) la cui funzione è quella di tenere in “posa” le fibre resistenti (affinché mantengano la corretta orientazione nell’assorbire gli sforzi), di proteggere le fibre ed inoltre di mantenere la forma del manufatto composito.
Le fibre di carbonio hanno proprietà molto simili all’asbesto. ma al contrario di quest’ultimo il loro utilizzo non comporta rischi per la salute.
Ogni intreccio di filamenti di carbonio costituisce un insieme formato dall’unione di molte migliaia di filamenti. Ciascun singolo filamento ha una forma approssimativamente cilindrica del diametro di 5-8 μm e consiste quasi esclusivamente di carbonio (almeno il 92%).
La struttura atomica della fibra di carbonio è simile a quella della grafite, consistendo in aggregati di atomi di carbonio a struttura planare (fogli di grafene) disposti secondo simmetria esagonale regolare. La differenza consiste nel modo in cui questi fogli sono interconnessi. La grafite è un materiale cristallino in cui i fogli sono disposti parallelamente l’uno rispetto all’altro formando una struttura regolare. I legami chimici che si instaurano tra i fogli sono relativamente deboli, conferendo alla grafite la sua caratteristica delicatezza e fragilità.
L’immagine in alto mostra un piccolo campione composto da numerose fibre di carbonio micrometriche. L’immagine sotto mostra il pattern di diffrazione dei raggi X in cui vi sono alcune evidenze di simmetria.
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