Metody pro studium pevných látek
Metody
● Metody termické analýzy● Difrakční metody● ssNMR● Predikce krystalových struktur
● Termogravimetrie (TG)● Diferenční TA (DTA)
● Rozdíl teplot mezi standardem a vzorkem● Diferenční skenovací kalorimetrie (DSC)
● Měří se energie potřebná ke kompenzaci rozdílu teplot
Metody termické analýzy
Difrakční metody
● RTG difrakce● elektronová difrakce● neutronová difrakce● Interference rozptýleného záření, vznik difrakčního
obrazu
http://escher.epfl.ch/eCrystallography/ http://www.walter-fendt.de/ph14cz/interference_cz.htm
● RTG záření: ~ 1Å (RTG lampa, synchrotron) ● Pružný rozptyl na elektronech!
RTG difrakce
Monokrystal x prášekPočet částic: 1Velikost: 0.1 - 1mmDostatečné množství dat => umožňuje řešit i složité úlohy - velká základní buňka, disorder, okupance, anisotropni teplotni parametry i lehkých atomů, studium nábojových hustot
Počet částic: velké množství, náhodně orientovanéVelikost: ~10-6mDostatečné množství dat, které jsou překryta => jednoduché úlohy, menší buňky, …
RTG difrakce
Difrakce jednoho krystalu
difrakční obraz práškového vzorku je kombinací difraktogramů velkého množství náhodně orientovaných krystalků
Monokrystal x prášek
http://escher.epfl.ch/eCrystallography/
RTG prášková difrakce
● Klasická RTG difrakce – atom je kulatý (aproximace)
● Kappa upřesňování
● Multipólové upřesňování● Nutná větší přesnost dat
– dlouhá doba měření– Velká redundance dat
RTG difrakce - Studium nábojových hustot v krystalech
Sférická hustota vnitřních elektronů
Hustota valenčních elektronů
Počet valenčních elektronů
Roztažení (smrštění)
Nesférický člen.Tvary funkcí se podobají atomovým orbitalům
http://www.xray.cz/kryst/difrakce/slouf/naboj.htm
Kdo chce vědět víc:
● Proud elektronů: záleží na budícím napětí 0.01 – 0.1Å● Rozptyl na atomech (rozptýlený elektron je ovlivňován jádrem i
elektrony)● Zdrojem je elektronový mikroskop● Elektron má hmotnost, náboj, magnetiký moment, spin ½ ● Elektrony mají tendenci porušovat kinematickou teorii difrakce
● Intenzity difrakcí neodpovídají skutečnosti ● Precesní elektronová difrakce toto eliminuje
Elektronová difrakce
● Precesní elektronová difrakce
● Precesní pohyb dopadajícího proudu elektronů● Oddělení strukturný analýzy na FZÚ AV ČR● Problémy
– Často rozklad vzorku během měření– Vakuum– Omezené možnosti náklonu vzorku (zatím)
● Pozitiva– Velmi rychlé měření, – Schopnost měřit velmi malé krystaly ( ~ 100nm)
Elektronová difrakce
● Proud neutronů: 0.1Å - 30Å● Rozptyl na atomových jádrech● Zdrojem je atomový reaktor
● Řež u Prahy (Ústav jaderné fyziky AV ČR)● Neutron má hmotnost, spin ½ a magnetický moment● Studium magnetických struktur, přesnější měření
meziatomových vzdáleností, lepší viditelnost lehkých (např. vodíkových) atomů
Neutronová difrakce
12
● Metoda pro určení struktury různých druhů systémů
● Vhodná pro systémy bez vnitřní uspořádanostiÞ využití pro materiály, které špatně krystalizují,
nebo jsou nerozpustné ● Schopné studovat velmi disorderované systémy● Most mezi X-ray difrakcí a NMR v kapalné fázi –
dynamické chování funkčních skupin či jednotlivých atomů v pevné fázi
● Proti NMR v roztoku – vzorek musí velice rychle rotovat
● Osa rotace musí svírat se směrem vnějšího magnetického pole úhel 54,7°= magický úhel vzorek se chová skoro jako v roztoku
AVANCE 1000 MHz NMR Spectrometer with the first 1 GHz CryoProbe installed
ssNMR
Kdo chce vědět víc: Brus J. Chem. Listy 99, 99-108 (2005).http://www.chemicke-listy.cz/docs/full/2005_02_99-108.pdf
Základy NMR
Po umístění vzorku obsahující izotop s nenulovým magnetickým momentem do magnetického pole o indukci B0, dojde k natočení magnetických momentů jader ve směru a nebo proti směru B0.
Zároveň dojde k rozštěpení energetických hladin mezi těmito stavy
Boltzmanův rozdělovací zákon
Makroskopická magnetizace M0 je rozdíl populací α a β
Základy NMR
Radiofrekvenční puls o stejné frekvenci jako je frekvence precesního pohybu
Návrat vektoru magnetizace M do rovnovážné polohy po vychýlení
radiofrekvenčním pulsem
Radiofrekvenční puls přestal působit
Základy NMR
Detekovaný signál – suma všech signálů (frekvencí )
Fourierova transformace
Frekvenční spektrum
Schéma magnetu
NMR
● Základním nositelem strukturní informace je chemický posun = rozdíl frekvence precesního pohybu zkoumaného atomu v molekule od frekvence standardu
● Citlivě reaguje i na nepatrné změny v rozdělení hustoty elektronů v okolí detekovaných jader
● Využití k identifikaci jednotlivých polymorfů, solvátomorfů, či hydrátů
● Na rozdíl od RTG difrakce lze lokalizovat H atomy s přesností na 2-5 pm využití k určení pozice protonu v karboxylových kyselinách
● Při studiu vodíkových vazeb – přímo H atom účastnící se vodíkové vazby (1H nebo 2H NMR), nebo atom v donorové nebo akceptorové skupině či v její blízkosti (13C, 15N, 17O, 29Si, 31P NMR)
● Informace o intramolekulárních vzdálenostech vybraných atomů (částečná strukturní informace)
● Informace o počtu nezávislých jednotek v asymetrické části buňky
NMR
18
Predikce krystalových struktur
● Svatý grál počítačového modelování pro molekulární materiály
= predikce struktury a vlastností od prvních principů –
porozumění nevazebným interakcím, jak ovlivňují uspořádání
molekul v krystalu● Zdroj informací – CSD● Modelování krystalové struktury – test porozumnění podstaty
nevazebných interakcí a naší schopnosti je popsat vhodným
stylem
19
Predikce krystalových struktur II● Cíl:
Strukturní vzorec
Strukturavýsledného
krystalu
• Problém:• Polymorfie• Experimentalní podmínky – teplota, tlak, metoda krystalizace,
rozpouštědlo, přítomnost nečistot● Realističtější cíl:
Seznam nejvíce pravděpodobných struktur – domnělých polymorfů s mírou
jejich relativní stability
20
Predikce krystalových struktur III
● Přínos pro CE:● Zkoumání vlivu strukturních změn molekul na
pravděpodobné uspořádání krystalu● Pomoc při návrhu umístění funkčních skupin v molekule →
ovlivnění požadované strukturní vlastnosti ve výsledném
krystalu● Pomoc při řešení struktury z minima experimentálních dat
(např. PXRD) – vypočtená struktura jako startovací bod při
určení struktury
21
Metody
● Predikce krystalové struktury – 3 kroky:
(1)Získání 3D modelu molekuly na základě přítomných vazeb
(2)„hledaní“ - prohledání fázového prostoru pro všechny možnosti
uspořádání
(3)Zhodnocení výsledků – výpočet mřížkových energií
(4)tzv. Globální minimum
(nejnižší energie) – nejvíce
pravděpodobná struktura
krystalu
Rutinní výpočet
22
Prohledávací metody
● Generování krystalových struktur – náročný matematický
problém nalézt všechna minima potencialní energie● Zjednodušení – zavedení prostorové grupy do výpočtu● Nutno najít všechny možné pozice a orientace molekuly v
asymetrické části (až do 6 x Z´ stupňů volnosti)● Nutno popsat tvar a velikost buňky (6 stupňů volnosti)● Otázka: Kterou prostorovou grupu použít?
23
Prohledávací metody
● Prostorová grupa – nerovnoměrné zastoupení v CSD● Cca 75% pozorovaných prostorových grup Z´≤1● Předpoklad:
● četnost zastoupení prostorové grupy odráží schopnost molekuly k
těsnému uspořádání a „uspokojení“ důležitých nevazebných interakcí v
každé prostorové grupě● Výpočet omezen na sadu nejčastěji pozorovaných prostorových grup● V praxi – počet uvažovaných prostorových grup odpovídá času na studii a
důležitosti nalezení všech možných minim● Minimálne 9-10 prostorových grup, ideálně i sady se Z´> 1
Četnost zastoupení nejčastějších prostorových grup