Difracción de rayos X: ¿qué es?

La difracción de rayos X (XRD) es una herramienta analítica que nos permite determinar la geometría tridimensional de materiales cristalinos. Implica el uso de radiaciones electromagnéticas, es decir, rayos X, para elaborar el espacio interatómico dentro de un cristal. Desde sus inicios, este método se ha utilizado ampliamente con fines de investigación científica y desarrollo industrial. Hoy en día, esta técnica de suma importancia se está aplicando eficazmente en diversos sectores industriales, como la fabricación de cemento, la metalurgia y la industria farmacéutica.

¿Cómo funciona?

Antes de comprender el concepto de XRD, uno podría preguntarse qué es realmente la difracción. La difracción es una propiedad común de todas las formas de onda. Se refiere al fenómeno de dispersión de ondas cuando pasan a través de una rendija o apertura estrecha, mientras que la extensión de la dispersión depende del tamaño de la rendija.

Cuando los rayos X viajan a través de una estructura cristalina, son difractados por las diversas capas atómicas o moleculares dentro de ese cristal. Estos rayos difractados sufren interferencias constructivas o destructivas. Se dice que la interferencia constructiva ocurre cuando se suman los efectos de dos ondas “en fase” y se cumple la ley de Bragg. Si ϴ es el ángulo de incidencia de los rayos X en una estructura cristalina que tiene una distancia entre planos de d, entonces la longitud de onda λ de los rayos X difractados se calcula como;

nλ = 2dsinϴ (Ley de Bragg)

Después de la difracción, la intensidad de los rayos X se puede evaluar con precisión y, por lo tanto, se puede generar un patrón de difracción en forma de gráfico. En caso de interferencia destructiva, la ley de Bragg no se cumple y, por lo tanto, la intensidad del haz de rayos X es demasiado baja para generar un pico. Sin embargo, cuando la orientación del material de muestra y / o el detector es tal que se cumple la ley de Bragg, se produce una interferencia constructiva y se forma un pico. Estos datos gráficos brindan información sobre el espaciado entre planos del material que se investiga. Además, esta distancia es característicamente específica para cada elemento cristalino, lo que nos permite utilizar XRD para analizar la composición de una sustancia.

¿Qué es un difractómetro?

El difractómetro es un dispositivo práctico que utiliza el principio de difracción de rayos X para realizar análisis tanto cualitativos como cuantitativos de una muestra. Básicamente, se compone de una fuente de rayos X y un detector entre los que se coloca una muestra. Los rayos X se filtran y luego se dirigen hacia el material de muestra. A medida que se someten a difracción después de golpear la muestra cristalina multiplanar, son recolectados por un detector. Además, la plataforma que sostiene la muestra se puede girar para proporcionar su orientación tridimensional completa.

Difractómetro de rayos X: ¿Cómo funciona?

El detector registra la entrada de rayos X en forma de pico, cuya altura corresponde a la intensidad de la radiación impactante. Se han desarrollado programas informáticos que utilizan estos datos para determinar la distancia específica entre dos planos atómicos consecutivos. Utilizando un sistema de referencia estandarizado, se puede determinar el elemento correspondiente a esta distancia interplana particular.

Un breve trasfondo histórico; Von Laue y los Braggs:

 Poco después de su asombroso descubrimiento, los rayos X se convirtieron en lo más buscado en el campo de la física. En la segunda década del siglo XX, los rayos X ya habían despertado el interés de algunos cristalógrafos de renombre. Von Laue estudió por primera vez el patrón de difracción de los rayos X. Obtuvo la primera evidencia de interferencia constructiva y destructiva sufrida por estas radiaciones luego de emerger a través del cristal. Más tarde W.L. Bragg y W.H. Bragg propuso una ley para explicar esta intrigante propiedad de los rayos X, ahora comúnmente denominada Ley de Bragg.

La XRD revolucionó por completo las técnicas cristalográficas y en las décadas posteriores a su invención, se determinaron las estructuras de una serie de macromoléculas complejas como penicilina, ADN, hemoglobina, etc. Incluso hoy en día, es la primera y principal elección de un físico para realizar un análisis de estructuras macromoleculares.

Aplicaciones industriales:

 ¿Se utiliza XRD en la industria del cemento?

¡Absolutamente sí! La técnica de difracción de rayos X permite un análisis cualitativo y cuantitativo del cemento paso a paso. Por lo tanto, los fabricantes pueden controlar estrictamente la composición de las materias primas (incluido el yeso y la piedra caliza) a medida que se transforman lentamente en el producto terminado.

 ¿Qué importancia tiene la XRD para la metalurgia?

Las industrias del hierro y el acero obtienen numerosos beneficios de las técnicas de difracción de rayos X. Durante el procesamiento de minerales de hierro (hematita o magnetita), el análisis de composición se puede realizar con precisión para evaluar el porcentaje de impurezas que se encuentran dentro de la muestra. Además, la mezcla de hierro dentro de los sinterizados también se puede analizar minuciosamente antes de dirigirse al alto horno.

 ¿Cuál es su papel en la industria farmacéutica?

La difracción de rayos X también ha dado lugar a un progreso espectacular en la industria farmacéutica. La evaluación analítica del agente farmacológico activo de cualquier fármaco puede realizarse eficazmente por medio de esta maravilla tecnológica. La elaboración de la estructura molecular de un fármaco ayuda a predecir sus propiedades físicas y químicas. Esta información es muy esencial para mantener la potencia de un medicamento.

 ¿Por qué se necesita en la industria de la pintura?

La XRD es útil para analizar la estructura cristalina de los pigmentos presentes en una mezcla de pintura. De esta manera, también se puede utilizar para la identificación de materiales de pintura utilizados en artefactos antiguos.

 XRD y geología; ¿Una combinación perfecta?

Las muestras de suelo contienen multitud de elementos. El análisis XRD puede medir con precisión la proporción de cada elemento presente dentro de la muestra. El estudio cualitativo de los minerales se ha vuelto mucho más conveniente desde el advenimiento de las técnicas de difracción de rayos X. Los geólogos pueden usar XRD para realizar estudios de la tierra y explorar vastas regiones geográficas en la búsqueda de nuevos minerales.

espectrometros en mexico

Tomógrafo de escritorio

Espectrómetro de Emisión Óptica

Espectrómetro de Rayos x

Rayos X 2D