Diffusion totale

Technique analytique de diffusion totale ou d'analyse par fonction de distribution de paires

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Matériaux désordonnés

La diffusion totale ou l'analyse par fonction de distribution de paires (PDF) est une technique analytique qui peut fournir des informations d'ordre structurel à partir de matériaux désordonnés grâce à une figure de diffraction des rayons X complète de poudre. La diffusion de Bragg et la diffusion diffuse sous-jacente sont déterminées. La technique de la fonction de distribution de paires est également appelée analyse de diffusion totale. L'ordre atomique à longue portée peut être déduit à partir des pics de Bragg dans un diffractogramme des rayons X. L'ordre à faible portée, c'est-à-dire la structure atomique locale, est présent dans les caractéristiques larges et moins bien définies du diffractogramme. Cette structure locale est décrite quantitativement par la fonction atomique de distribution de paires.

Applications de l'analyse par fonction de distribution de paires (PDF)

L'analyse par fonction de distribution de paires est appliquée à la caractérisation structurelle des matériaux qui sont intrinsèquement désordonnés. Ces matériaux peuvent être amorphes, peu cristallins, nano-cristallins ou nano-structurés. En général, ces échantillons sont les suivants :

  • Nanopoudres
  • Verres
  • Polymères
  • Ingrédients pharmaceutiques
  • Liquides

La fonction PDF elle-même est également utilisée par l'industrie pharmaceutique comme empreinte pour les matériaux amorphes. Parmi les autres domaines intéressants de la recherche en chimie des solides pour l'analyse par PDF figure l'étude des matériaux énergétiques : les matériaux pour les piles à combustible à oxyde solide (SOFC), les matériaux magnétiques, les structures organométalliques (MOF), les zéolites et les matériaux de batterie au lithium.

Détermination et analyse par fonction de distribution de paires (PDF)

À partir du diffractogramme des rayons X mesuré, la fonction de structure est déterminée en suivant les étapes initiales de réduction des données de base. La fonction atomique radiale de distribution de paires est alors calculée à l'aide d'une transformation de Fourier. La fonction de distribution de paires décrit la probabilité de trouver deux atomes séparés par une certaine distance dans le matériau à l'étude. Le logiciel est ensuite utilisé pour trouver le modèle structurel qui convient le mieux à la fonction PDF déterminée.

Conditions requises pour les mesures de la fonction de distribution de paires (PDF)

Pour obtenir la résolution spatiale souhaitée pour la structure atomique locale, une acquisition de données pour l'analyse PDF doit être effectuée :

  • Jusqu'à des angles de diffraction les plus élevés possible (grande plage Q)
  • À l'aide de rayons X de longueur d'onde courte (rayonnement à haute énergie)
  • Avec de très bonnes statistiques de comptage
  • Avec une suppression optimale du bruit de fond.

En raison de ces exigences strictes, la technique s'appuyait presque exclusivement, jusqu'à encore récemment, sur les faisceaux de rayons X de haute qualité disponibles au niveau des sources de rayonnement synchrotron. En pratique, il est souvent difficile et long d'accéder à de tels sites à grande échelle. Il est donc très souhaitable et parfois même nécessaire d'effectuer une analyse préliminaire sur les échantillons candidats dans le laboratoire de recherche à l'avance.

Solutions Malvern Panalytical pour l'analyse par fonction de distribution de paires (PDF) dans le laboratoire

La plateforme Empyrean de diffraction des rayons X polyvalente peut être configurée pour les expériences de diffusion totale pour l'analyse PDF.

La configuration utilise :

  • Tube à rayons X en argent ou molybdène
  • Miroirs focalisant à faisceau incident ou collimateur à fente
  • Capillaire tournant
  • Détecteurs de pixels hybrides (GaliPIX3D) ou linéaires (X'Celerator)
  • Kit anti-diffusion pour la suppression du bruit de fond.

Un grand soin a été apporté afin d'obtenir un bruit de fond propre et sans caractéristiques, essentiel pour parvenir à des résultats significatifs sur des matériaux très désordonnés ou entièrement amorphes.

Les données expérimentales obtenues avec les systèmes Malvern Panalytical permettent une comparaison avec les résultats du synchrotron. Les données brutes mesurées peuvent être traitées et analysées à l'aide de progiciels d'analyse par PDF disponibles gratuitement.