شیمی نوین به ما کمک کرده است تا بدون استفاده ذره ای ماده شیمیایی، باکمترین خطا و حداقل هزینه، انواع مختلفی از اطلاعات را درباره ماهیت و خاصیت مواد به دست آوریم. طیف سنجی XRD نیز یکی از همین روش ها است و به ما در تشخیص مواد و اندازه گیری های خاص بر روی آن ها کمک کرده است. در این مقاله قصد داریم تا در مورد طیف سنجی XRD، نحوه انجام آن و کاربرد هایش صحبت کنیم.
طیف سنجی XRD چیست؟
طیف سنجی XRD یکی از روش های طیف سنجی مبتنی بر پراش پرتو X است. در این روش، پرتو X به ماده تابانده شده و سپس از پراشیده شدن آن (پراکنده شدن در جهات مختلف) طیف سنجی می شود تا اطلاعات دقیقی از ساختار صفحات کریستالی و… به دست آید.
اساس کار طیف سنجی XRD بر معادله براگ استوار است. بر مبنای این معادله، ما با داشتن یک طول موج که بتواند از بین سطوح کریستالی بازتاب شود؛ می توانیم فاصله بین آن دو را اندازه گیری کنیم. این معادله به صورت زیر تعریف شده است.در این رابطه، n مرتبه پراش، d فاصله بین سطوح پراش، λ طول موج پرتو تابانیده شده و θ زاویه برخورد پرتو به سطوح بلوری و بازتاب آن ها نسبت به صفحه عمود بر صفحه کریستالی را نشان می دهد.
در تصویر زیر می توانید المان های مختلف موثر در معادله براگ را پیدا کنید.
در این روش طیف سنجی آن چه که مورد سنجش قرار می گیرد صفحات بلوری است. بنابراین در صورتی که یک ماده آمورف و یا فاقد بلور را مورد طیف سنجی XRD قرار دهیم به نتیجه ای نمی رسیم. پیک قابل ملاحظه ای در این طیف مشاهده نشده و ما نمی توانیم از آن برای مطالعه ماده استفاده کنیم. بنابراین یکی از اولین و مهمترین شروط برای طیف سنجی XRD بلوری بودن ماده مورد مطالعه است.
در یک طیف XRD چه چیز هایی دیده می شود؟
در یک طیف XRD، زاویه بر حسب شدت ترسیم می شود. دتکتور دستگاه در یک زاویه معین شروع به حرکت می کند و همه بازتاب ها را در زوایای مختلف ثبت می کند. شدت هر پرتوی دریافت شده توسط دتکتور شناسایی شده و به صورت یک طیف به شکل زیر در می آید. در این طیف ما می توانیم بر اساس مساحت زیر هر پیک و شدت آن پیک در مورد ماده مطالعاتی انجام دهیم.
در این نوع طیف سنجی همچنین ما می توانیم فاز های مختلف کریستالی یک ماده را نیز تشخیص دهیم. فاز های مختلف کریستالی در واقع حالت های کریستالی مختلف از یک نوع ماده هستند که دارای ترکیب شیمیایی یکسان اما شکل کریستالی متفاوتی هستند. مکان هر پیک با زاویه ای که قله هر پیک در آن واقع شده شناسایی می شود.
هر چه یک ماده کریستال های کوچکتری داشته باشد، پیک های مربوط به آن ماده پهن تر و هر چه کریستال ها بزرگ تر باشد؛ پیک های مربوط به آن ماده باریک تر و با شدت بیشتری (ارتفاع بیشتر) خواهند بود. در صورتی که یک فاز آمورف وجود داشته باشد؛ پیک های بسیار ضعیفی در حد نویز های معمولی دستگاه شکل می گیرد و قابل شناسایی نخواهد بود.
یکی از نکاتی که بسیار جالب توجه است این است که ما به راحتی نمی توانیم از طیف سنجی XRD برای شناسایی نانوذرات شکل گرفته بر روی یک پایه استفاده کنیم. مثلا فرض کنید که بخواهیم نانوذرات بسیار کوچکی از NiO (اکسید نیکل) را بر روی پایه آلومینا قرار دهیم. در صورتی که سایز این ذرات خیلی کوچک باشد، حتی در صورت وجود فاز کریستالی، باز هم دستگاه نمی تواند آن ها را تشخیص دهد.
در تصویر زیر، طیف a مربوط به یک ماده آمورف و طیف b مربوط به یک ماده کریستالی است. همانطور که ملاحظه می کنید؛ طیف یک ماده آمورف پر از پیک های بسیار کوچک و در هم رفته است و عملا قابل تفسیر نیست.
برای یک دستگاه XRD همچنین حد بالایی برای کریستال ها وجود دارد. در صورتی که یک بلور خیلی بزرگ باشد؛ پیک مربوط به آن بسیار تیز و بسیار بلند (پر شدت) ظاهر می شود و بنابراین برای تفسیر کردن مناسب نخواهد بود. یک حد پایین و بالا برای طیف سنجی XRD وجود دارد که به آن پنجره طیف سنجی XRD گفته می شود.
کوچکترین کرستال قابل تشخیص در حد 2 نانومتر و بزرگترین آن باید کمتر از 100 نانومتر بزرگی داشته باشد تا بتوان با استفاده از طیف سنجی XRD آن را شناسایی و مطالعه کرد.
طیف سنجی XRD چه کاربردی دارد؟
قطعا یکی از بهترین روش های برای تشخیص هر ماده کریستالی طیف سنجی XRD است. این تکنیک طیف سنجی با دقت بالایی نوع مواد را تشخیص می دهد و با استفاده از کنار هم قرار دادن نتایج طیف سنجی XRD و طیف سنجی ICP می توان به دقت درباره ماهیت هر ماده معدنی نظر داد. در رابطه با مواد آلی قضیه کمی فرق دارد و ما باید به جای آنالیز ICP از طیف سنجی NMR در کنار طیف سنجی IR و رامان استفاده کنیم.
طیف سنجی XRD همچنین به ما امکان مطالعه کریستال ها را نیز می دهد. مثلا فرض کنید که ما یک مزوپور سیلیکاتی مثل MCM-41 را سنتز کرده باشیم. با استفاده از تکنیک های طیف سنجی XRD می توانیم با دقت بسیار بالایی درباره سایز حفرات، ضخامت دیواره حفرات و… اطلاعاتی را به دست آوریم.
در ساخت آلیاژ های مختلف و همچنین برای تشخیص شکل گیری یا عدم شکل گیری نمک مضاعف نیز می توان از این طیف سنجی استفاده کرد. با توجه به مکان قرار گیری پیک و شدت آن می توان با دقت بالایی درباره شکل گیری یا عدم شکل گیری آلیاژ و یا نمک دوتایی نظر داد.
