همه چیز در مورد آنالیز XRD یا پراش اشعه X

آنالیز  XRD  یا پراش اشعه ایکس (X-Ray Diffraction) یک روش تحلیلی سریع است که در درجه اول برای شناسایی فاز یک ماده بلوری مورد استفاده قرار می گیرد و می تواند اطلاعاتی در مورد آن ارائه دهد. آنالیز XRD برای ارزیابی مواد معدنی ، پلیمرها ، فرآورده های خوردگی و مواد ناشناخته مفید است.

XRD از طریق مطالعه ساختار بلوری ، برای شناسایی فاز کریستالی موجود در ماده استفاده می شود و بدین ترتیب اطلاعات ترکیب شیمیایی را فاش می کند. شناسایی فاز توسط آنالیز XRD  با مقایسه اطلاعات به دست آمده با داده های مرجع حاصل می شود. در بیشتر موارد نمونه های آزمون XRD یا پراش اشعه X با استفاده از نمونه های تهیه شده به صورت پودرهای بسیار ریز آنالیز می شوند. در ادامه مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک توضیحات بیشتری در این زمینه ارائه می شود.

تاریخچه آنالیز XRD یا پراش اشعه X

ماکس فون لاو  در سال ۱۹۱۲  کشف کرد که مواد کریستالی به صورت یک شبکه پراش سه بعدی شبیه به فاصله هواپیماها در یک شبکه برای طول موج های اشعه ایکس، عمل می کنند. پراش پرتوی ایکس اکنون یک روش معمول برای مطالعه ساختارهای بلوری و فاصله اتمی است.

اصول آنالیز XRD یا پراش اشعه X

آنالیز پراش اشعه ایکس بر تداخل ساختاری اشعه X تک رنگ و یک نمونه کریستالی استوار است. بدین ترتیب که پرتوهای X توسط یک لوله پرتوی کاتدی تولید می شود ، برای تولید اشعه تک رنگ فیلتر شده ، برای تمرکز جمع  شده و سپس به سمت نمونه هدایت می شوند.

هنگامی که یک پرتوی پراش شرایط قانون براگ را برآورده کند (nλ = ۲d gun θ)برخورد پرتوهای تصادفی با نمونه باعث ایجاد تداخل ساختاری می شود. این قانون طول موج تابش الکترومغناطیسی را به زاویه پراش و فاصله شبکه در یک نمونه بلوری مرتبط می کند.

اشعه ایکس سپس شناسایی ، پردازش و شمارش می شود. با اسکن نمونه از طیفی از زوایای θ۲ ، باید از طریق جهت گیری تصادفی مواد پودری ، تمام جهت های پراش شبکه را بدست آورد. تبدیل پیک های پراش به فاصله های d امکان شناسایی ماده معدنی را فراهم می کند زیرا هر ماده معدنی دارای مجموعه ای از فاصله های d منحصر به فرد است. به طور معمول ، این کار با مقایسه فاصله های d با الگوهای مرجع استاندارد حاصل می شود.

تمام روشهای پراش براساس تولید اشعه X در لوله اشعه X هستند. این پرتوهای X به سمت نمونه هدایت می شوند و پرتوهای پراکنده جمع آوری می شوند. یکی از مؤلفه های مهم پراش ، زاویه بین برخورد و پرتوهای پراکنده شده است.

کاربردهای آنالیز XRD یا پراش اشعه X

تعیین فازی : یکی از اساسی ترین کاربردهای این  روش تعیین فاز است که براساس پیک های بدست آمده ساختار اتمی و فاز صفحات پراش کننده تعیین شده و از این طریق جنس و ساختار نمونه مشخص می شود.

بلورینگی:  از آنجاییکه هیچ ماده ای کریستال کامل نیست و مواد معمولا به صورت ترکیبی از مواد کریستالی و آمورف وجود دارند نمودار XRD حوزه های آمورف را به صورت پیک های پهن و حوزه های کریستالی را به صورت پیک های تیز نشان می دهد که از نسبت آنها می توان بلورینگی ماده را تعیین کرد.

اندازه گیری حوزه های کریستالی : پهنای پیک ها حاوی اطلاعاتی از نمونه است. اندازه حوزه کریستالی و میکرو کرنش حاصل از عیوب شبکه عوامل مؤثری در پهنای پیک های نمودارXRD  هستند. بنابراین هرچه حوزه کریستالی بزرگتر و عیوب شبکه کمتر باشد پهنای پیک ها کمتر خواهد بود و بر این اساس می توان به اندازه حوزه کریستالی نمونه  پی برد.

تانسور انبساط:  برای تعیین تانسور انبساط  باید نمونه را در معرض دما یا فشار کنترل شده قرار داد و همزمان اطلاعات حاصل از پراش اشعه ایکس XRD را بررسی کرد. سپس نمونه  در زوایا و شرایط متفاوت بررسی می شود تا تانسور انبساط تعیین شود.

تحلیل بافت:  توزیع غیر تصادفی صفحات و ارجحیت جهتی خاص در نمونه باعث تغییر شدت پیک ها می شود که با مقایسه شدت آنها می توان به توزیع غیر تصادفی صفحات دست یافت.

تنش پسماند: آزمون XRD یکی از پرکاربردترین تکنیک ها برای بررسی تنش پسماند است. این آنالیز به دلیل غیر مخرب بودن برای تعیین تنش پسماند استفاده می شود. تنش پسماند باعث تغییر فاصله صفحات و در نتیجه زاویه پراش می شود که با بررسی و تحلیل نمودار XRD می توان تنش پسماند را تعیین کرد.

شناسایی مواد به کمک آنالیز XRD

هدف اصلی آزمون XRD  تعیین زاویه های مربوط به هر پیک و سپس مشخص کردن فاصله صفحه های اتمی (d) است. برای شناسایی ماده مجهول در این روش جدول هایی وجود دارد که با توجه به الگوی منحصر به فرد هر ترکیب تهیه شده است.

البته امروزه دستگاه های پراش اشعه ایکس XRD  خودشان مقادیر d و فاصله را ارائه می دهند و از این طریق نیاز به الگو و احتمال خطا را به حداقل رسانده اند.

معمول ترین روش برای تعیین نوع فازها و یا کانی های موجود در نمونه مجهول،  مقایسه اطلاعات به دست آمده از آنالیز XRD با اطلاعات موجود در کارت استاندارد مربوط به آن ماده است.

نقاط ضعف و قوت آنالیز XRD یا پراش اشعه X

در رابطه با نقاط قوت  XRD یا پراش اشعه X می توان گفت یک تکنیک سریع و قدرتمند در تشخیص مواد معدنی مجهول (کمتر از ۲۰ دقیقه) است. آماده سازی نمونه در این روش بسیار ساده می باشد و در بیشتر موارد تشخیصی کاملاً دقیق و واضح دارد و از طرف دیگر تفسیر داده ها در XRD امری نسبتاً ساده است و نیاز به تحلیل های پیچیده ندارد.

از نقاط ضعف این روش می توان به این مسئله اشاره کرد که نمونه مجهول ترجیحاً باید تک فاز و همگن باشد و برای استخراج نتایج دسترسی به یک منبع الگوهای پراش استاندارد الزامی است.

در این روش ترجیحاً نمونه باید کاملاً  به حالت پودری باشد و در نمونه های مخلوط حد تشخیص ۲% نمونه می باشد. پیک ها در آنالیز XRD یا پراش اشعه X ممکن است همپوشانی داشته باشند که احتمال این اتفاق در زوایای بالاتر بیشتر می شود.

بررسی آنالیز XRD یا پراش اشعه X از نظر هزینه

آنالیز XRD یا پراش اشعه X  روشی کم هزینه  ولی بسیار پرکاربرد است که می تواند طیف وسیعی از خصوصیات و کمیت های کریستال‌‌ها را تعیین کند. این روش نیازی به خلأ ندارد و این یکی از مزایایی است که باعث کاهش هزینه ساخت دستگاه ها و برتری آن  نسبت به تکنیک‌های الکترونی دیگر می شود. آنالیز XRD یا پراش اشعه X  تکنیکی غیرتماسی و غیرمخرب است و آماده‌سازی آن دشوار نیست.

دستگاه XRD در صنایع مختلف ازجمله علم مواد و کانی شناسی، شیمی، فیزیک، زمین شناسی، صنایع دارویی و در شناسایی ساختار مواد نانو سنتزی، تشخیص فاز کریستالی سیمان و آنالیز مواد معدنی مورد استفاده قرار می گیرد. این روش برای دانشجویان مهندسی و علم مواد به منظور تعیین و بررسی خواص مواد و تقویت آنها بسیار کاربردی است.

از برترین برندهای دستگاه پراش اشعه X می توان  به برند شیمادزو (Shimadzu)، بروکر (Bruker)، ترموفیشر (Thermo Fisher)، پنالیتیکال (PANalytical) و فیلیپس (Philips) اشاره کرد.