Difracció

Segons el diccionari de la llengua de l’Institut d’Estudis Catalans, la difracció és el fenomen d’interferència múltiple produït pel carácter ondulatori de la llum o de qualsevol altra ona.

La difracció va ser observada per primer cop per F. M. Grimaldi l’any 1660; posteriorment, va ser estudiada per científics de la rellevància de Huygens, Newton, Young o Fresnel, entre d’altres.La més estudiada va ser la difracció de la llum caracteritzada per  l’aparició de taques clares i fosques en una pantalla.

Quant a la cristal·lografia, la difracció dels cristalls es va observar per primera vegada el 1912 gràcies als raigs X, i després també amb la difracció de neutrons i la d’electrons. 

 

 

 

LA DIFRACCIÓ DELS RAIGS X

 

El descobriment dels raigs X l’any 1895 va representar un impacte important pel fet que poden travessar cossos opacs a la llum i velar plaques fotogràfiques.

La naturalesa dels raigs X va suposar un gran repte per a la comunitat científica ja que es pensava que eren una radiació electromagnètica com la llum però els raigs X no es podien difractar com ho fa la llum visible i, per tant, no quedava demostrat que fossin una radiació electromagnètica.

Es van fer molts intents de difracció amb les xarxes de difracció més fines però amb resultat negatiu.

 

 L’any 1912 el científic alemany Max Von Laue va tenir la genial idea de fer passar raigs X a través d’un cristall de sulfat de coure, atenent el que els cristal·lògrafs defensaven des de feia més de 100 anys: que els cristalls eren medis periòdics.

L’experiment el van dur a terme dos col·laboradors de Von Laue: W. Friedrich i P. Knipping i va resultar positiu, observant-se taques de difracció (figura XX). Tot d’una es va demostrar la naturalesa dels raigs X i, de retruc, la periodicitat del medi cristal·lí.

Es pot afirmar que aquest experiment va representar un maridatge entre raigs X i cristal·lografia que, a hores d’ara, encara dura i que ha produït enormes aportacions a la ciència. L’experiment també va representar un punt d’inflexió en el desenvolupament de la cristal·lografia i la seva relació amb altres àrees científiques.

 

 

La difracció de raigs X es pot dur a terme sobre mostres monocristal·lines (1 sol cristall de mida aprox. 0.3x0.3x0.3mm) i sobre mostres policristal·lines (molts cristalls de mida petita -de l’ordre de micres-) orientats a l’atzar. El tipus de mostra condiciona els experiments de forma que es distingeix entre tècniques de monocristall i tècniques de pols cristal·lina. Les primeres estan orientades principalment a la determinació de l’estructura cristal·lina mentre que les segones s’orienten principalment a la determinació de fases cristallines essent una eina analítica importantíssima en el camp dels materials sòlids.

 

Els principals tècniques de monocristall són:

 

a) El mètode de Laue

b) El mètode de rotació-oscil·lació (vegeu exposició sobre Dorothy Crowfoot)

c) El mètode Weissenberg (vegeu exposició sobre Dorothy Crowfoot)

d) El mètode de precessió

e) El difractòmetre automàtic de monocristall

 

Les principals tècniques de difracció de pols són:

 

a) La tècnica Debye-Scherrer

b) La cambra Guinier

c) El difractòmetre automàtic de pols

 

La radiació de sincrotró  ha representat un avenç important en cristal·lografia ja que el sincrotró pot emetre radiació X d’una qualitat extraordinària:

  • Gran intensitat (factor de 105 respecte de fonts convencionals)
  • Alta col·limació
  • Es pot escollir la longitud d’ona de forma contínua, contràriament als tubs de raigs X  que emeten longituds d’ona concretes depenent de la composició de l’anticàtode
  • Temps de mesura molt ràpid
  • Possibilitat de treballar amb monocristalls molt petits
  • Radiació polaritzada en el pla de l’òrbita electrònica
  • Ideal per a estudiar la difusió anòmala
  • Radiació polsada amb estructura temporal definida

 

Els sincrotrons són instal·lacions molt cares i de grans dimensions, cosa que fa que siguin poc abundants i estiguin situats en zones desenvolupades. El Sincrotró ALBA és un bon exemple.

  Sincrotron ALBA   Sincrotron ALBA   Sincrotron ALBA
  Sincrotró ALBA   Vista interior del
Sincrotró ALBA
  Difractòmetre de raigs X de monocristall de la línia XALOC
dedicada a l’estudi de macromolècules

 

 

 

LA DIFRACCIÓ DE NEUTRONS


Va ser descoberta per Clifford G. Shull i Bertran N. Brockhouse als anys 40 mentre treballaven en projectes d’energia atòmica.

Aquesta tècnica es basa en la interacció d’un flux de neutrons amb matèria cristal·lina.

Els feixos de neutrons es produeixen principalment en reactors nuclears o bé en fonts d’espal·lació; aquests equipaments són cars i complicats i això fa que les instal·lacions de producció de neutrons siguin escasses.

Així com en el cas de la difracció de raigs X la interacció es produeix amb el núvol electrònic dels àtoms, en el cas dels neutrons la interacció es produeix amb els nuclis.

Des del punt de vista de les tècniques, també es pot distingir entre tècniques de monocristall i tècniques de pols cristal·lina.

En el cas de la difracció de monocristalls es necessita que el monocristall sigui més gran, com a mínim de 1 mm3. Aquesta grandària, de vegades és difícil d’assolir i representa un coll de botella important.

Les estructures cristal·lines determinades per difracció de neutrons tenen l’avantatge que poden indicar amb millor precisió la posició dels àtoms i en particular dels hidrògens (en difracció de raigs X és difícil ja que tenen 1 sol electró).

 

 

 













LA DIFRACCIÓ D'ELECTRONS

 

El descobriment de la difracció dels electrons va ser fet, de manera independent, l’any 1929 per George P. Thomson i per Clinton J. Davisson, que van rebre el Premi Nobel l’any 1937.

 

Els electrons, en tenir característiques d’ona i de corpuscle (dualitat ona-partícula), són susceptibles de ser difractats pels cristalls. Els electrons han de travessar la mostra que, per tant, ha de ser molt prima (aprox. 100 nm).

 

Modernament la difracció d’electrons es du a terme utilitzant un microscopi electrònic.

Un aspecte important és que permet fer la difracció de materials cristal·lins en grans molt petits (<100 nm).

 

     
  Difracció d’electrons
d’una mostra policristal·lina
de nanopartícules d’òxid de cobalt

[autora: Dra. Eva Pellicer,
Dept. de Física UAB]
  Difracció d’electrons
d’un monocristall de moscovita.

S’aprecia la xarxa recíproca
amb la seva indexació.
  Microscopi electrònic JEM-2011
del Servei de
Microscòpia de la UAB

 

 

Campus d'excel·lència internacional U A B