difracție cu raze X

Acesta este un model de difracție a razelor X generat atunci când razele X sunt imprimate pe un material cristalin, în acest caz o proteină. Fiecare punct, numit reflexie, este generat de interferența razelor X împrăștiate care trec prin cristal.

Difracția cu raze X este una dintre cele mai importante tehnici pentru studiul solidelor cristaline.

Informații preliminare: interacțiunea radiație-materie

Orice radiație electromagnetică poate interacționa cu materia prin două procese principale:

absorbție: în timpul căreia radiația transferă toată sau o parte din energia sa către sistemul material, crescându-i temperatura sau provocând tranziția la o stare excitată. În cazul razelor X , radiația incidentă are suficientă energie pentru a provoca tranziții electronice și pentru a expulza electronii din atomi ( efect fotoelectric ).
difuzie ( împrăștiere ): în cursul căreia radiația este difuzată de materie și undele electromagnetice asociate acesteia schimbă direcția de propagare. Această schimbare poate fi însoțită de schimb de energie între fotoni și materie (împrăștiere inelastică; împrăștiere termică difuză) sau nu (împrăștiere elastică).

Tehnici instrumentale de difractometrie cu raze X

Tehnica difracției cu raze X se bazează pe împrăștierea elastică coerentă: fenomenul macroscopic de difracție apare de fapt din suma coerentă a tuturor undelor electromagnetice difuzate de atomii care sunt situați de-a lungul aceleiași familii de planuri de rețea. Pentru a se manifesta, necesită în mod necesar prezența unui ordin de rețea, așa cum se găsește în cristale , deși acest fenomen poate fi observat cu succes și în lichide folosind un instrument de difracție cu raze X (EDXD) de dispersie a energiei. ^[1]

Acest comportament arată că într-o substanță în stare lichidă există o regularitate, de fapt prin măsurarea difracției cu raze X a unei substanțe în stare lichidă și a aceleiași substanțe în stare solidă, folosind metoda pulberii, a fost evidențiat modul în care distanțele dintre atomi erau la prima aproximare la fel. ^[2] În funcție de natura eșantionului examinat, acesta este împărțit în difracție cu raze X monocristalină (SC-XRD) și difracție cu raze X în pulbere (XRPD). Prima tehnică este capabilă să ofere informații tridimensionale despre densitatea electronică și despre mișcările termice ale fiecărui atom care alcătuiește cristalul: totuși, dificultatea de a obține cristale unice și complexitatea analizei datelor îl fac o tehnică non-rutină. Extrem de răspândită este în schimb difracția cu raze X a pulberilor, care este mult mai rapidă și mai ieftină, și permite cuantificarea diferitelor componente ale unei probe solide și, de asemenea, obținerea de informații cu privire la structura cristalină și la dimensiunea cristalitelor.

În general, ambele tehnici pot furniza, în principiu, următoarele informații:

Caracteristicile unității de repetare a rețelei cristaline a unei substanțe (constante de rețea).
Grup spațial al substanței (elemente de simetrie punctuală și de translație ale cristalului) - mai dificil în cazul XRPD.
Conectivitatea chimică a unității asimetrice. Unitatea asimetrică este cea mai mică unitate structurală pe care nicio operațiune de simetrie a cristalului, cu excepția identității, nu o poate transporta în sine. În cazul cristalelor moleculare (adică ale căror unități de repetare sunt molecule ), de cele mai multe ori unitatea asimetrică coincide cu molecula unică, dar nu este exclus faptul că poate include două sau mai multe molecule, sau chiar o fracțiune a unei molecule.
Mișcarea termică a atomilor sau a ionilor - mult mai detaliată în cazul SC-XRD.

SC-XRD permite, de asemenea:

analiza densității electronilor (numai dacă datele de difracție sunt de o calitate excelentă, de exemplu colectate la temperaturi extrem de scăzute - în ordinea 10-100 K, adică într-un interval cuprins între -263 ° C și -173 ° C și apoi detaliate studiul legăturii chimice și a configurației electronice a atomilor și ionilor.
studiul detaliat al tranzițiilor de fază (la nivelul deplasării atomilor unici).
în condiții foarte favorabile, studiul reacțiilor chimice care apar în stare solidă.

XRPD, pe de altă parte, permite:

recunoașterea și studiul cantitativ al fazelor eșantionului.
studiul dimensiunii particulelor eșantionului (dimensiunea medie a domeniilor de împrăștiere coerente).
studiul tranzițiilor de fază care implică variații structurale mari.

O aplicație tehnologică inovatoare a difracției cu raze X este micro- refracția cu raze X (μ-XRD)

Notă

^ Lorenzo Gontrani † ‡, Olga Russina§, Fabrizio Lo Celso∥, Ruggero Caminiti ‡, Gary Annat⊥ și Alessandro Triolo * § #, Structura lichidă a clorurii de trihexiltetradecilfosfoniu la temperatura ambiantă: un studiu de împrăștiere și simulare a razelor X , în Phys . Chem. B, 2009, 113 (27), pp 9235-9240 .
^ F. Cennamo, Diffraction of X-ray in liquides , în Il Nuovo Cimento (1943-1954) .