Diffrattometro di Raggi X in Dispersione di Energia

Julietta V. Rau -

Laboratorio 0F20

Sede di Roma - Tor Vergata

L'EDXRD viene effettuata da una macchina non commerciale, basata sull'uso di un tubo ad anodo di tungsteno W (fino a 50 kV), come sorgente fotonica policromatica (“bianca”) e di un fotodiodo di Ge ultrapuro a stato solido, come rivelatore sensibile di energia, che consente di eseguire la scansione di energia dei fotoni diffratti. In questo modo, la scansione dello spazio reciproco (o q-scan, q = aE sinθ, dove q è il momento trasferito normalizzato, a è una costante, E è l'energia della radiazione X incidente e 2θ è l’angolo di scattering), necessario per raccogliere il pattern di diffrazione, viene eseguito elettronicamente, piuttosto che meccanicamente, come invece avviene con il metodo convenzionale ADXRD. Inoltre, è disponibile una cella ad alta temperatura con controllo a feedback che consente di eseguire misure ad alta temperatura (fino a 800°C) sia in condizioni ambientali che in ambiente controllato.

SPECIFICHE TECNICHE

Tubo a raggi X 0-100 keV al tungsteno-W (senza monocromatizzatore)
Generatore di potenza (0-50 kV)
Slitta di collimazione con apertura compresa tra 5 µm e 10 mm
Rivelatore fotodiodo a stato solido ultrapuro (Ortek-Ametek)
Analizzatore di spettri multicanale (fino a 2048 canali) (Ortek-Ametek) con risoluzione energetica di circa l'1,5%
Telaio rivestito in piombo
Bracci del rivelatore e della sorgente automatizzati e mossi da due attuatori lineari azionati da motori passo-passo, con un incremento minimo dell'angolo di scattering di 0,004.
Cella ad alta temperatura e ambiente controllato
Torretta basculante per campioni cresciuti anisotropicamente.

TECNICHE DISPONIBILI

Misurazione EDXRD in condizioni ambientali
Misurazioni EDXRD ad alta temperatura (temperatura fissa, rampa di temperatura)
Misurazione ad ambiente controllato con flusso di gas

CAMPIONI

Dimensioni laterali del campione: 10x10 mm (ideale), 4 x 4 mm (minimo), 50x50 mm (massimo)
Spessore del campione: idealmente da 500 µm (sono fattibili anche campioni più sottili)
Campioni in bulk
Campioni multistrato
Campioni in forma di polvere
Campione sotto forma di pasta malleabile
Campioni di film depositati

UTILIZZATO PER

Cementi
Film sottili
Rivestimenti
Campioni per uso biomedico
Trasformazione in tempo reale in temperatura
Misure di rocking per campioni cresciuti con orientamento preferenziale

ESEMPI APPLICATIVI

Studio del cemento a base di tricalcio fosfato integrato con nanotubi di nitruro di boro

Sequenza di spettri EDXRD raccolti durante l’indurimento del cemento TCP contenente 1wt% in peso di BNNT per una durata totale di 24 ore viene riportata nella Figura a sinistra. Modifiche rilevanti nei pattern EDXRD sono rilevabili già entro i primi minuti del monitoraggio.
Tuttavia, un segnale caratteristico per campioni a basso grado di cristallinità, insieme ad alcuni riflessi intensi provenienti dalla pasta a base TCP, caratterizzano i pattern raccolti durante i primi 10 minuti. Successivamente, i riflessi del TCP scompaiono e si osserva una rapida conversione in una nuova fase cristallina – brushite (DCPD). Questa conversione di TCP nella fase DCPD è indicata dalla comparsa dei nuovi picchi ad elevata intensità.

Si veda: Julietta V. Rau et al. /Mater. Sci. Eng. C, 2020, v. 114, p. 111044 DOI: 10.1016/j.msec.2020.111044

Prospettiva 3D degli spettri EDXRD raccolti durante 24 ore di indurimento del cemento TCP contenente 1% in peso di BNNT. Sono riportati sia gli indici di Miller sia le intensità relative della fase DCPD (brushite) appena formata.

Sequence of diffraction patterns collected upon 70% OCP − 30% DCPD in SBF for a total duration of 60h

Studio in situ risolto nel tempo di octacalcio-fosfato e fosfato bicalcico diidrato in simulated body fluid

Studio in vitro delle trasformazioni del sistema bifasico costituito da octacalcio fosfato (OCP) e dicalcio fosfato diidrato (DCPD) in SBF per possibili applicazioni come materiali sostitutivi del tessuto osseo. Lo scopo di questo lavoro è di definire il ruolo del componente aggiuntivo DCPD durante i processi di trasformazione/cristallizzazione. La tecnica EDXRD è stata utilizzata per il monitoraggio in situ dei processi che avvengono in tempo reale. Sono state studiate diverse combinazioni OCP - DCPD: (1) 100% OCP; (2) 70% OCP - 30% DCPD; (3) 100% DCPD. I risultati ottenuti hanno permesso di concludere che quando si è in presenza del solo OCP in SBF, ha luogo la formazione di idrossiapatite sostituita con ioni di carbonato, mentre per il sistema OCP - DCPD (30%) in SBF, si forma idrossiapatite, in quanto meno favorita cineticamente. I risultati ottenuti in questo lavoro hanno fornito chiarimenti sul meccanismo di biomineralizzazione.

Si veda: Julietta V. Rau et al. Crystal Growth & Design ACS, 2010, vol. 10, pp. 3824-3834 DOI: 10.1021/cg100746a

Diffrattometro di Raggi X in Dispersione di Energia