Metody pro studium pevných látek

Podobné dokumenty
Metody pro studium pevných látek

Chemie a fyzika pevných látek p3

OPVK CZ.1.07/2.2.00/

Krystalografie a strukturní analýza

Základy Mössbauerovy spektroskopie. Libor Machala

SPEKTROSKOPIE NUKLEÁRNÍ MAGNETICKÉ REZONANCE

spinový rotační moment (moment hybnosti) kvantové číslo jaderného spinu I pro NMR - jádra s I 0

ZÁKLADNÍ EXPERIMENTÁLNÍ

Nukleární magnetická rezonance (NMR)

Dynamické procesy & Pokročilé aplikace NMR. chemická výměna, translační difuze, gradientní pulsy, potlačení rozpouštědla, NMR proteinů

Metody využívající rentgenové záření. Rentgenografie, RTG prášková difrakce

Přednáška 12. Neutronová difrakce a rozptyl neutronů. Martin Kormunda

NMR spektroskopie. Úvod

Od kvantové mechaniky k chemii

Opakování: shrnutí základních poznatků o struktuře atomu

Metody spektrální. Metody molekulové spektroskopie NMR. Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

Chemie a fyzika pevných látek p2

Přednášky z lékařské biofyziky Biofyzikální ústav Lékařské fakulty Masarykovy univerzity, Brno

Metody využívající rentgenové záření. Rentgenovo záření. Vznik rentgenova záření. Metody využívající RTG záření

Opakování

Úvod do strukturní analýzy farmaceutických látek

České vysoké učení technické v Praze Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská. Příloha formuláře C OKRUHY

Chemie a fyzika pevných látek l

Rentgenová difrakce a spektrometrie

2. Difrakce elektronů na krystalu

Úvod do strukturní analýzy farmaceutických látek

jádro a elektronový obal jádro nukleony obal elektrony, pro chemii významné valenční elektrony

RTG difraktometrie 1.

Speciální analytické metody pro léčiva

magnetizace M(t) potom, co těsně po rychlé změně získal vzorek magnetizaci M 0. T 1, (2)

12. Predikce polymorfů. Příprava předmětu byla podpořena projektem OPPA č. CZ.2.17/3.1.00/33253

Jiří Brus. (Verze ) (neupravená a neúplná)

Náboj a hmotnost elektronu


Úvod do moderní fyziky. lekce 3 stavba a struktura atomu

Nukleární Overhauserův efekt (NOE)

Náboj a hmotnost elektronu

Diskutujte, jak široký bude pás spojený s fosforescencí versus fluorescencí. Udělejte odhad v cm -1.

Význam interakční konstanty, Karplusova rovnice. konfigurace na dvojné vazbě a na šestičlenných kruzích konformace furanosového kruhu TOCSY

Teorie rentgenové difrakce

C Mapy Kikuchiho linií 263. D Bodové difraktogramy 271. E Počítačové simulace pomocí programu JEMS 281. F Literatura pro další studium 289

Praktikum III - Optika

Nukleární magnetická rezonance (NMR)

Domácí úlohy ke kolokviu z předmětu Panorama fyziky II Tomáš Krajča, , Jaro 2008

CHARAKTERIZACE MATERIÁLU POMOCÍ DIFRAKČNÍ METODY DEBYEOVA-SCHERREROVA NA ZPĚTNÝ ODRAZ

1. Ze zadané hustoty krystalu fluoridu lithného určete vzdálenost d hlavních atomových rovin.

Fourierovské metody v teorii difrakce a ve strukturní analýze

3. Vlastnosti skla za normální teploty (mechanické, tepelné, optické, chemické, elektrické).

ZÁKLADY SPEKTROMETRIE NUKLEÁRNÍ MAGNETICKÉ REZONANCE

Význam interakční konstanty, Karplusova rovnice

Jádro se skládá z kladně nabitých protonů a neutrálních neutronů -> nukleony

12.NMR spektrometrie při analýze roztoků

Spektra 1 H NMR. Velmi zjednodušeně! Bohumil Dolenský

Strukturní analýza krystalů ve třech a více dimenzích

NMR spektroskopie rádiové frekvence jádra spinovou rezonancí jader spinový moment lichý počet

Mezimolekulové interakce

Nukleární Overhauserův efekt (NOE)

Přednáška IX: Elektronová spektroskopie II.

Autor: martina urbanová, jiří brus. Základní experimentální postupy NMR spektroskopie pevného stavu

Dualismus vln a částic

Počítačová chemie. výpočetně náročné simulace chemických a biomolekulárních systémů. Zora Střelcová

1 Teoretický úvod. 1.2 Braggova rovnice. 1.3 Laueho experiment

Rentgenová spektrální analýza Elektromagnetické záření s vlnovou délkou 10-2 až 10 nm

Elektronový obal atomu

Úvod do strukturní analýzy farmaceutických látek

Vybrané spektroskopické metody

Emise vyvolaná působením fotonů nebo částic

Využití magneticko-rezonanční tomografie v měřicí technice. Ing. Jan Mikulka, Ph.D. Ing. Petr Marcoň

Stereochemie 7. Přednáška 7

Difrakce elektronů v krystalech, zobrazení atomů

Nauka o materiálu. Přednáška č.10 Difuze v tuhých látkách, fáze a fázové přeměny

Molekulární krystal vazebné poměry. Bohumil Kratochvíl

Látkové množství. 6, atomů C. Přípravný kurz Chemie 07. n = N. Doporučená literatura. Látkové množství n. Avogadrova konstanta N A

Fyzika, maturitní okruhy (profilová část), školní rok 2014/2015 Gymnázium INTEGRA BRNO

Základní škola, Ostrava Poruba, Bulharská 1532, příspěvková organizace

4. Stanovení teplotního součinitele odporu kovů

13. Spektroskopie základní pojmy

[KVANTOVÁ FYZIKA] K katoda. A anoda. M mřížka

Gymnázium Jiřího Ortena, Kutná Hora

NUKLEÁRNÍ MAGNETICKÁ REZONANCE

Struktura elektronového obalu

STANOVENÍ STRUKTURY LÁTEK

Optické spektroskopie 1 LS 2014/15

COSY + - podmínky měření a zpracování dat ztráta rozlišení ve spektru. inphase dublet, disperzní. antiphase dublet, absorpční

Orbitalová teorie. 1.KŠPA Beránek Pavel

Možnosti rtg difrakce. Jan Drahokoupil (FZÚ) Zdeněk Pala (ÚFP) Jiří Čapek (FJFI)

Strukturní analýza. NMR spektroskopie

02 Nevazebné interakce

Nauka o materiálu. Přednáška č.2 Poruchy krystalické mřížky

Skupenské stavy látek. Mezimolekulární síly

Tabulace učebního plánu. Vzdělávací obsah pro vyučovací předmět : Fyzika. Ročník: I.ročník - kvinta

Zobrazování. Zdeněk Tošner

České vysoké učení technické v Praze Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská OKRUHY. ke státním zkouškám DOKTORSKÉ STUDIUM

HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE - kvalitativní i kvantitativní detekce v GC a LC - pyrolýzní hmotnostní spektrometrie - analýza polutantů v životním

Neideální plyny. Z e dr dr dr. Integrace přes hybnosti. Neideální chování

F7030 Rentgenový rozptyl na tenkých vrstvách

Fyzika atomového jádra

Transkript:

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 standardem a vzorkem Diferenční skenovací kalorimetrie (DSC) Měří se energie potřebná ke kompenzaci rozdílu teplot

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 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.ch/ecrystallography/ difrakční obraz práškového vzorku je kombinací difraktogramů velkého množství náhodně orientovaných krystalků

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 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: http://www.xray.cz/kryst/difrakce/slouf/naboj.htm

Elektronová difrakce 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)

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 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, 99-108 (2005). http://www.chemicke-listy.cz/docs/full/2005_02_99-108.pdf AVANCE 1000 MHz NMR Spectrometer with the first 1 GHz 12 CryoProbe installed

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

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

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

NMR 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 ( 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

ssnmr Rotace pod magickým úhlem 54.74 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)

http://mutuslab.cs.uwindsor.ca/schurko/ssnmr/ssnmr_schurko.pdf

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, 99-108 (2005).

Korelace dat s krystalovou strukturou

Z přednášky J. Bruse (2011) http://www.imc.cas.cz/nmr/down/kurs-nmr-brus-1-uvod.pdf http://www.imc.cas.cz/nmr/cz/lect.html

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

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 všechny možnosti uspořádání (3) Zhodnocení výsledků výpočet mřížkových energií (4) tzv. Globální minimum (nejnižší energie) nejvíce pravděpodobná struktura krystalu 25

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

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

Četnost zastoupení nejčastějších prostorových grup

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

Artem R. Oganov: How to predict crystal structures, http://fen.nsu.ru/posob/htt/xtt_novosibirsk_talk.pdf

CCDC blind tests Rok 2000 Rok 2011

Výpočetní časy uvedené jednotlivými skupinami v V. blind testu

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