La diffrazione dei raggi X (XRD) è una potente tecnica utilizzata per determinare la struttura atomica e molecolare dei materiali cristallini. Si basa sull'interazione dei raggi X con la nuvola di elettroni di atomi all'interno di un reticolo cristallino. Ecco i principi fondamentali:
1. Natura a onda di raggi X:
* I raggi X sono radiazioni elettromagnetiche con lunghezze d'onda nell'intervallo da 0,1 a 10 nanometri.
* Mostrano proprietà a forma di onde e possono sottoporsi a diffrazione quando interagiscono con oggetti regolarmente distanziati, come gli atomi in un reticolo cristallino.
2. Modello di diffrazione:
* Quando i raggi X passano attraverso un materiale cristallino, sono sparsi dagli elettroni che circondano ogni atomo.
* Le onde sparse interferiscono tra loro, creando un modello di diffrazione su un rivelatore.
* Questo modello è costituito da punti luminosi (picchi) e aree scure (depressioni), che sono specifiche per la struttura e l'orientamento cristallini.
3. La legge di Bragg:
* La legge di Bragg spiega la relazione tra l'angolo di incidenza (θ), la lunghezza d'onda dei raggi X (λ) e la spaziatura tra i piani atomici (d) nel reticolo cristallino:
nλ =2d sinθ
* Dove 'n' è un numero intero che rappresenta l'ordine di diffrazione.
* Questa legge prevede gli angoli in cui si verifica l'interferenza costruttiva, risultando nei picchi osservati nel modello di diffrazione.
4. Reticolo reciproco:
* Il modello di diffrazione è correlato al reticolo reciproco del cristallo, che è una rappresentazione matematica della struttura cristallina nello spazio reciproco.
* Le posizioni dei picchi nel modello di diffrazione corrispondono ai punti nel reticolo reciproco.
5. Analisi dei dati di diffrazione:
* Analizzando il modello di diffrazione, gli scienziati possono determinare:
* Le dimensioni delle cellule unitarie (A, B, C, α, β, γ)
* La disposizione degli atomi all'interno della cella unitaria (gruppo spaziale)
* Le posizioni degli atomi all'interno della cellula unitaria (coordinate atomiche)
* La presenza di eventuali difetti o impurità nella struttura cristallina
Applicazioni chiave della diffrazione dei raggi X:
* Caratterizzazione del materiale: Determinazione della struttura cristallina, dell'identificazione delle fasi e del polimorfismo.
* Cristallografia: Risoluzione delle strutture atomiche di molecole e proteine.
* Analisi dello stress: Determinare i livelli di stress residuo nei materiali.
* Diffrazione della polvere: Identificare e quantificare le fasi cristalline in miscele complesse.
* Analisi del film sottile: Determinare la struttura e lo spessore dei film sottili.
In sintesi, la diffrazione dei raggi X è un potente strumento per comprendere la struttura atomica e molecolare dei materiali cristallini. Utilizzando la natura ondulata dei raggi X e applicando la legge di Bragg, possiamo analizzare il modello di diffrazione per ottenere preziose informazioni sulla disposizione e sulle proprietà dei materiali.
