از آن جا که پراش پرتو ایکس (XRD) یک روش استاندارد برای بررسی ساختار و خواص ترکیبات خصوصاٌ پلیمرها می باشد. مقاله حاضر مقدمه ای بسیار کوتاه و خلاصه از معرفی برخی تکنیک های مورد استفاده پراش پرتو ایکس در مشخصه یابی مواد است.
دستگاه پراش پرتو ایکس (XRD) از 3 بخش تشکیل شده است:
شکل 1- شماتیکی از دستگاه پراش پرتو ایکس (XRD)
پرتو ایکس (X) درسال 1895 به وسیله رونتگن فیزیکدان آلمانی کشف شد و به دلیل این که ماهیت آن ناشناخته بود به این نام خوانده شد. برای تولید آن از لامپ مولد پرتو ایکس استفاده می شود. این لامپ شامل آند و کاتد است که دریک محفظه ی خلأ قرار دارد و می تواند پرتو مورد نیاز را تأمین کند. پرتو ایکس تابش الکترومغناطیسی با انرژی در محدوده ی 100 الکترو ولت تا 100 کیلو الکتروولت است، این پرتو می تواند به عمق ماده نفوذ کند و اطلاعاتی از توده ماده نشان دهد. در زمینه های کاربردی مختلف از پراش پرتو ایکس با طول موج در محدوده ی 1-3 آنگستروم استفاده می شود.
نمونه مورد نظر یک ترکیب معدنی یا پلیمر است، اگر نمونه پودری باشد معمولا بین 5-3 گرم از ماده استفاده می شود و هم چنین نمونه می تواند به صورت یک فیلم نازک باشد در هرصورت نمونه مورد نظر را در محل خود گذاشته، پس از برخورد پرتو X به الکترون های ماده، باعث نوسان اتم ها و تابش پرتو X به اطراف می شود. اگر پرتو های پراکنده شده با هم جمع شوند موج برآیند پدید می آید. دراین حالت طیف مشخصی از پرتو X تولید می شود و سپس آشکارساز سیگنال آن را پردازش و به مانیتور منتقل کرده تا نتایج حاصل نمایش داده شود. طیف حاصل از ترکیبات معدنی به خاطر بلورینگی بالا از وضوح بیش تری برخوردار است.
قانون براگ یکی از مهم ترین قوانینی است که برای تفسیر داده های حاصل ازپراش پرتو X استفاده می شود. در شکل زیر صفحات بلوری نشان داده شده است، اگر فاصله بین دو صفحه را d در نظر بگیریم کلیه پرتوهایی که به صفحه ی اول برخورد می کند، به دلیل طی مسافت یکسان، هم دیگر را تقویت می کنند. اگراختلاف فاصله پرتو تابیده به لایه دوم و اول را برابر با مضربی از ƛ در نظر بگیریم، مسافت طی شده توسط پرتو منعکس شده از لایه دوم برابربا 2dsinƟ می شود:
n ƛ=2dsinƟ
شکل 2- قانون براگ
پراش هنگامی ایجاد می شود که قانون براگ d sinθ=nλ2 برقرار باشد. اجرای قانون براگ را می توان به وسیله روش های مختلفی هم چون لاوه، بلور دورانی ، پودری و پراش سنجی اعمال کرد که در این مقاله به اختصار به بررسی روش پر کاربرد پودری پرداخته می شود:
یکی از روش های متدوال برای مشخصه یابی مواد پراش پودری پرتو ایکس می باشد. همان طور که از نام آن پیداست نمونه معمولاً به صورت پودر و شامل دانه های خالص از مواد تک بلور می باشد. این روش به طور گسترده برای بررسی ذرات در سوسپانسیون های مایع و جامدات پلی کریستال کاربرد دارد. موقعیت و شدت قله ها و پیک های حاصل از نمونه برای شناسایی ساختار یا فاز مواد مورد استفاده قرار می گیرند. به عنوان مثال خطوط پراش گرافیت متفاوت از الماس است در حالی که هردو از اتم های کربن ساخته شده اند.
داده های حاصل از پراش پودری را می توان با روش انتقال یا انعکاس جمع آوری نمود. برای نمونه های که به صورت جامد هستند معمولا پراش انعکاسی و برای نمونه های که مایع هستند پراش به صورت انتقال بررسی و آنالیز می شود.
همان طور که در زیر نشان داده شده است :
الف- پراش انتقالی ب- پراش انعکاسی
شکل 3- شماتیکی از نحوه ی پراش پرتو ایکس
شکل 4- الگوی پراش پودری پرتو ایکس از نمونه K2TaO6
پراش پرتو ایکس ابزاری قوی برای مطالعه ساختارهای پلیمری است، برای اندازه گیری فواصل بزرگ تر از مقیاس اتمی از SAXS و WAXD که از خانواده XRD هستند استفاده می شود.
با این روش می توان توزیع اندازه ذرات یا پراکنش حفره ها در مواد بلوری و درشت مولکول هایی مانند پلیمر را بررسی نمود. الگو های SAXS اطلاعاتی درباره ی سایز کلی و شکل می دهند و هم چنین برای تعیین ساختار های نمونه در ابعاد نانو کاربرد دارند.
اتم ها و فواصل بین اتمی به طرف زاویه های بزرگ پراش یابند، الگوهای WAXS اطلاعاتی از حالت فازی، تقارن کریستال و ساختارهای مولکولی می دهند.
از طیف XRD برای بررسی خواص نانو مواد و کامپوزیت ها استفاده می شود. به عنوان مثال کامپوزیت های تقویت شده با ذرات معدنی رس با توجه به ساختار لایه ای سیلیکات با استفاده از این روش می توان اطلاعات خوبی در زمینه فواصل بین لایه ها بدست آورد.
با استفاده از پراش اشعه ی X می توان درصد بلورینگی در پلیمرهای شبه کریستالی و میزان جهت گیری ساختاری آن ها را به دلیل حضور زنجیر های بلند ارزیابی نمود که با حصول این اطلاعات می توان به خواص پلیمرها مانند پایداری حرارتی و استحکام مکانیکی دست یافت. برخلاف جامدات معدنی که ساختاری صد درصد بلورین دارند پلیمرها می توانند به صورت های مختلفی باشند به عنوان مثال ترکیبات با درصد بالای بلورینگی، شبه کریستال، میکرو کریستال و آمورف که در هر مورد شکل پیک های مختلفی ظاهر می شود. بنابراین با توجه به پیک حاصل شده می توان به ساختار ماده پی برد. همان طور که مشاهده می شود، ساختار های کریستالی پیک هایی تیز دارند و هرچه از حالت کریستالی به سمت شبه کریستال و آمورف می رویم با پیک های پهن تری روبرو می شویم.
الف- پلی پروپیلن (شبه کریستال)
ب- سلولز (میکروکریستال)
ج- پلی کربنات (آمورف)
شکل 5- پیک حاصل از نمونه ها با ساختار مختلف
الف – پلی پروپیلن (شبه کریستال ) ب-سلولز (میکرو کریستال) ج-پلی کربنات (آمورف)
(الف) (ب)
شکل 6- طیف حاصل ازپراش پرتو X
الف – ترکیبات معدنی ب- پلیمرهای نیمه بلوری
پراش پرتو ایکس یک روش ابتدایی برای تعیین درصد بلورینگی پلیمرها می باشد. ازآن جا که نمونه های پلیمری از فاز آمورف و کریستال تشکیل شده اند درصد کریستالی مواد به این صورت تعیین می شود.
شکل 7- پیک حاصل ازمناطق آمورف و کریستالی نمونه پلیمری
شکل 8- پیک حاصل از نمونه پلیمری (شبه کریستال )
در مقاله بعدی به بررسی تخصصی تر این آنالیز پرکاربرد می پردازیم.