V krátkém pojednání s výstižným názvem "Rentgenová difrakce - okno do materiálu" jsme se pokusili ukázat, jak neviditelné rentgenové paprsky vypovídají o reálné struktuře materiálu. Uvedli jsme základní principy difrakce rentgenových paprsků na krystalických látkách a její využití.
K difrakční analýze se nepoužívají pouze rentgenové paprsky, ale i jiné druhy záření či částic. Jako difrakční media se používají elektrony, neutrony, ionty, atomy a nové zdroje záření v oboru rentgenových vlnových délek, jako je synchrotronové záření a záření gama.
Každý z těchto druhů záření přináší nové možnosti a nabízí speciální využití. Difrakce elektronů se využívá k získání informací o struktuře povrchové vrstvy tloušťky asi 10-7m nebo tenkých vrstev. Difrakce neutronů umožňuje studovat uspořádání magnetických momentů v pevných látkách.
Další rozvoj rentgenové difrakční analýzy umožnily nové detektory záření a hlavně využití počítačů. Mezi nejmodernější detekci difraktovaného záření patří využití polohových detektorů. Polohový detektor registruje ve velmi krátkém časovém intervalu difrakční linie v úhlovém oboru 2q až do 120°. Této přednosti se využívá ke studiu procesů při kterých se rychle mění struktura materiálu např. s teplotou. Příkladem mohou být rychle probíhající fázové transformace. Rozvoj počítačové techniky umožňuje řešení velmi složitých krystalových struktur biologických látek, které by bez této techniky nebylo možné stanovit. Vždyť například výpočet elektronové hustoty rozložení elektronů v elementární buňce vyžaduje proměřit intenzity 10 000 reflexí.
Vědní obor, který využívá rentgenové difrakční metody spolu s matematickým zpracováním difrakčního záznamu až ke stanovení reálné struktury, se nazývá krystalografie. S aplikací krystalografie se dnes setkáváme ve fyzice, chemii, minearologii, metalurgii, elektronice, keramickém průmyslu, farmaceutickém průmyslu, biologii, kriminalistice a v řadě dalších aplikací. Molekulární biologie vznikla na základě objevu struktury molekuly DNA, která je nositelem genetických vlastností.
Příroda, která je tak štědrá v rozmanitosti svých produktů, spolu s lidskou vynalézavostí tvorby umělých struktur poskytuje dostatek objektů k neustálému zkoumání. Vedle nekončící řady organických a anorganických krystalů denně připravovaných chemiky, se krystalografům podařilo objevit i velice zvláštní struktury, o jejichž existenci až donedávné doby nebylo nic známo. Jako příklad uveďme novou polymorfní modifikaci uhlíku, která byla objevena v roce 1985 a nazývá se fulleren.
Uhlík, šestý prvek periodické tabulky , se vyskytuje v několika krystalických formách a rovněž v amorfním stavu. Mezi nejznámější patří grafit a diamant, svými vlastnostmi zcela odličné minerály. Grafit má strukturu znázorněnou na obr. 7.1.
Atomy uhlíku umístěné v rozích šestiúhelníku drží pohromadě silnou kovalentní vazbou, zatímco mezi jednotlivými vrstvami působí slabé van der Waalsovy síly. Mřížka diamantu je kubická plošně centrovaná. Umístíme-li ke každému uzlového bodu dva atomy uhlíku, vznikne struktura diamantu (obr. 7.2).
Třetí forma byla rozpoznána a pojmenována jako fulleren v roce 1985. Velmi brzy, v roce 1996, za tento objev obdrželi dva američtí profesoři R. F. Curl a R. E. Smalley a angličan H. W. Kroto Nobelovu cenu.
Molekula fullerenu C60 obsahující 60 atomů uhlíku je na obr. 7.3.
Později byly objeveny molekuly s více než 60 uhlíky (C70, C80 atd.). Rentgenová difrakce na krystalickém C60 ukázala, že nad teplotou 250 K krystaluje v kubické plošně centrované mřížce (obr. 7.4), a pod teplotou 220 K přechází na kubickou primitivní mřížku.
Vzhledem k velmi krátké době od objevu fullerenů se očekává, že k jejich technologickému využití dojde během několika příštích let. Podobných příkladů, kdy rentgenová strukturní analýza přispěla k objevení struktury nové látky, by bylo mnoho.
Doufáme, že pozorný čtenář těchto stránek pochopil, jak krásný vědní obor strukturní krystalografie a její součást-rentgenová difrakční analýza se podílí na základním výzkumu a nových objevech, a současně přispívá i k rozvoji materiálového výzkumu a dalších vědních oborů.
Nabudete-li dojmu, že to je právě ten obor, který by vás zajímal, přijďte. Poskytneme vám veškeré dostupné informace a rádi poradíme.
| Naše adresa: | Rentgenostrukturní laboratoř, FSI ČVUT , katedra fyziky ,Technická 4, Praha 6, e-mail |