Metody pro studium pevných látek

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "Metody pro studium pevných látek"

Ján Šimon Pešan
před 6 lety
Počet zobrazení:

1 Metody pro studium pevných látek

2 Metody Metody termické analýzy Difrakční metody ssnmr Predikce krystalových struktur

3 Metody termické analýzy Termogravimetrie (TG) Diferenční TA (DTA) Rozdíl teplot mezi standardem a vzorkem Diferenční skenovací kalorimetrie (DSC) Měří se energie potřebná ke kompenzaci rozdílu teplot

vznik difrakčního obrazu http://escher.epfl.

4 Difrakční metody RTG difrakce elektronová difrakce neutronová difrakce Interference rozptýleného záření, vznik difrakčního obrazu

5 RTG difrakce RTG záření: ~ 1Å (RTG lampa, synchrotron) Pružný rozptyl na elektronech! Monokrystal x prášek Počet částic: 1 Velikost: 0.1-1mm Dostatečné 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 orientované Velikost: ~10-6 m Dostatečné množství dat, které jsou překryta => jednoduché úlohy, menší buňky,

RTG difrakce Monokrystal x prášek http://escher.epfl.

6 RTG difrakce Monokrystal x prášek difrakční obraz práškového vzorku je kombinací difraktogramů velkého množství náhodně orientovaných krystalků

7 RTG prášková difrakce

RTG difrakce - Studium nábojových hustot v krystalech Klasická RTG difrakce atom je kulatý (aproximace) Kappa upřesňování Roztažení (smrštění) Sférická hustota vnitřních elektronů Multipólové

8 RTG difrakce - Studium nábojových hustot v krystalech Klasická RTG difrakce atom je kulatý (aproximace) Kappa upřesňování Roztažení (smrštění) Sférická hustota vnitřních elektronů Multipólové upřesňování Počet valenčních elektronů Hustota valenčních elektronů Nutná větší přesnost dat dlouhá doba měření Velká redundance dat Nesférický člen. Tvary funkcí se podobají atomovým orbitalům Kdo chce vědět víc:

9 Elektronová difrakce Proud elektronů: záleží na budícím napětí Å 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

Problémy Často rozklad vzorku během měření Vakuum Omezené možnosti náklonu

10 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)

11 Neutronová 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

ssnmr Metoda pro určení struktury různých druhů systémů Vhodná pro systémy bez vnitřní uspořádanosti využití pro materiály, které špatně krystalizují, nebo jsou nerozpustné

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 Kdo chce

12 ssnmr Metoda pro určení struktury různých druhů systémů Vhodná pro systémy bez vnitřní uspořádanosti 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 Kdo chce vědět víc: Brus J. Chem. Listy 99, (2005). AVANCE 1000 MHz NMR Spectrometer with the first 1 GHz 12 CryoProbe installed

13 Základy NMR Po umístění vzorku obsahující izotop s nenulovým magnetickým momentem do magnetického pole o indukci B 0, dojde k natočení magnetických momentů jader ve směru a nebo proti směru B 0. Boltzmanův rozdělovací zákon Zároveň dojde k rozštěpení energetických hladin mezi těmito stavy Makroskopická magnetizace M 0 je rozdíl populací α a β

14 Základy NMR Radiofrekvenční puls o stejné frekvenci jako je frekvence precesního pohybu Radiofrekvenční puls přestal působit Návrat vektoru magnetizace M do rovnovážné polohy po vychýlení radiofrekvenčním pulsem

15 Základy NMR Detekovaný signál suma všech signálů (frekvencí ) Frekvenční spektrum Fourierova transformace

16 NMR Schéma magnetu

17 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 ( 1 H nebo 2 H NMR), nebo atom v donorové nebo akceptorové skupině či v její blízkosti ( 13 C, 15 N, 17 O, 29 Si, 31 P NMR) Informace o intramolekulárních vzdálenostech vybraných atomů (částečná strukturní informace) Informace o počtu nezávislých jednotek v asymetrické části buňky

18 ssnmr Rotace pod magickým úhlem Typ vzorku: Polykrystalický prášek, ale i amorfní fáze Malé množství - v řádech 10 1 mg 7 mm, 4 mm, 3.2 mm, 2.5 mm, 1.3 mm (8 khz, 18 khz, 23 khz, 35 khz,70 khz)

20 ssnmr Jaké informace poskytuje? Počet nezávislých molekul -> počet molekul v asymetrické části Meziatomové vzdálenosti inter- ale i intramolekulární! Torzní úhly Informace o vodíkových vazbách a π-π interakcí Brus J. Chem. Listy 99, (2005).

21 Korelace dat s krystalovou strukturou

22 Z přednášky J. Bruse (2011)

23 Predikce krystalových struktur 1988 John Maddox: Je skandální, že teoretická fyzika stále neumí předpovědět krystalovou strukturu látky pouze z jejího vzorce. Svatý grál počítačového modelování pro molekulární materiály = predikce struktury a vlastností od základních principů porozumění nevazebným interakcím, jak ovlivňují uspořádání molekul v krystalu 23

24 Predikce krystalových struktur Cíl: Strukturní vzorec Struktura výsledného krystalu Problém: Polymorfismus Experimentalní podmínky teplota, tlak, metoda krystalizace, rozpouštědlo, přítomnost nečistot Realističtější cíl: Seznam nejvíce pravděpodobných struktur domnělých polymorfů s mírou jejich relativní stability 24

Metody Rutinní výpočet Predikce krystalové struktury (1) Získání 3D modelu molekuly na základě přítomných vazeb (2) hledaní - prohledání fázového prostoru pro

25 Metody Rutinní výpočet Predikce krystalové struktury (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 25

26 Prohledávací metody Generování krystalových struktur náročný matematický problém nalézt všechna minima potencialní energie Nutno najít všechny možné pozice a orientace molekuly v asymetrické části + možné konformace molekuly Nutno popsat tvar a velikost buňky (6 stupňů volnosti) Zjednodušení zavedení prostorové grupy do výpočtu Otázka: Kterou prostorovou grupu použít? 26

27 Prohledávací metody Prostorová grupa nerovnoměrné zastoupení v CSD Výpočet omezen na sadu nejčastěji pozorovaných prostorových grup V praxi počet uvažovaných prostorových grup odpovídá času na studii a důležitosti nalezení všech možných minim Cca 75% pozorovaných prostorových grup Z 1 Minimálne 9-10 prostorových grup, ideálně i sady se Z > 1 27

28 Četnost zastoupení nejčastějších prostorových grup

nejnižší globální minimum Problém lokální minima Metody

29 Prohledávací metody Grid-search metody nelze použít Každá konfigurace má nějakou hodnotu energie hledá se ta s tou nejnižší globální minimum Problém lokální minima Metody globální optimalizace Náhodné procházení, Simulované žíhání, Genetický algoritmus

30 Artem R. Oganov: How to predict crystal structures,

34 CCDC blind tests Rok 2000 Rok 2011

35 Výpočetní časy uvedené jednotlivými skupinami v V. blind testu

36 Predikce krystalových struktur 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 36

Podobné dokumenty

Metody pro studium pevných látek

Metody pro studium pevných látek Metody Metody termické analýzy Difrakční metody ssnmr Predikce krystalových struktur Metody termické analýzy Termogravimetrie (TG) Diferenční TA (DTA) Rozdíl teplot mezi