Diffractomètre à rayons X
La diffractométrie de rayons X est une technique d'analyse chimique fondée sur le phénomène de diffraction des rayons X sur la matière cristalline (minéraux, métaux...).
Un faisceau monochromatique de rayons X est envoyé sur l'échantillon à analyser. Ce faisceau va être dispersé (ou diffracté) par cet échantillon dans certaines directions privilégiées de l'espace, c'est-à-dire à certains angles bien spécifiques (angles de Bragg). A partir de la mesure de ces angles de diffraction et de l'intensité des rayons diffractés, il est possible d'en déduire l'arrangement des atomes dans l'espace constituant le cristal analysé et sa nature.
Par exemple, le sel de table (chlorure de sodium ou NaCl) est un cristal constitué d'ions Na+ et Cl- disposés régulièrement dans l'espace en formant deux sous réseaux cubiques à faces centrées :
- un ion chlorure (Cl-) situé sur chacun des 8 sommets d'un cube (rouge)
- un ion chlorure au centre de chacune des 6 faces du cube (rouge)
- un ion sodium (Na+) situé au centre de la maille (vert)
- un ion sodium situé au milieu de chacune des 12 arêtes du cube (vert).
La diffractométrie de rayons X du sel de table permettrait de déterminer l'arrangement de ces ions dans l'espace.
Dans l'identification de matériaux cristallins, la diffraction de rayons X peut faire suite à une analyse par spectroscopie de fluorescence X qui permet seulement de déterminer la nature chimique des atomes présents dans l'échantillon analysé (Fe, Al...) mais pas de déterminer leur arrangement dans l'espace. En pratique, l'échantillon solide est préparé sous forme de poudre aplanie dans un mortier puis placé dans une coupelle. Un faisceau de rayons X est envoyé sur la préparation, et un détecteur qui fait le tour de l'échantillon permet de mesurer l'intensité du faisceau diffracté dans la direction du détecteur. L'enregistrement des données permet d'obtenir un diffractogramme caractéristique de la structure cristalline analysée, qui donne l'intensité du faisceau diffracté en fonction de l'angle du détecteur. Par comparaison avec des diffractogrammes de référence enregistrés dans une base de données, il est alors possible d'en déduire la nature des phases cristallines présentes dans l'échantillon.
Pour les analyses par diffractométrie de rayons X, le laboratoire utilise principalement les bases de données : PDF2, PDF4, ICSD et COD. Afin de faciliter l'identification de la structure cristalline par diffraction de rayons X, cette analyse est précédée systématiquement par une analyse par fluorescence X permettant de déterminer la nature des atomes constituant le composé.
Ce qui se passe à l'échelle atomique
Les rayons X envoyés sur l'échantillon, provoquent une oscillation du nuage électronique des atomes constituant la matière analysée. Ces oscillations provoquent une ré-émission d'ondes électromagnétiques de même fréquence : ce phénomène s'appelle la diffusion Rayleigh. La longueur d'onde des rayons X étant de l'ordre de grandeur des distances entre les atomes (10-10 m), les interférences des rayons diffusés vont être alternativement constructives ou destructives. Selon la direction de l'espace, on va donc avoir un nombre plus ou moins important de photons X : ce phénomène s'appelle la diffraction des rayons X (Max Von Laue, 1914).
Formellement, les directions dans lesquelles les interférences sont constructives peuvent être déterminées simplement par la formule de Bragg : 2.d.Sin θ = n.λ, où
d : distance interréticulaire, c'est-à-dire la distance entre deux plans cristallographiques
θ : demi-angle de déviation (moitié de l'angle entre la direction du faisceau incident et celle du détecteur)
n : ordre de diffraction (n=1,2,3...)
λ : longueur d'onde des rayons X
Les matériaux qui peuvent être analysés par diffraction de rayons X sont variés :
- matériaux cristallins, métaux
- céramiques, sables, argiles
- minéraux, prélèvements de sol
Exemple de diffractogramme (G. Boudarham, 2014)
Dans le diffractogramme ci-dessous, on observe des "pics de diffraction" uniquement pour certains angles entre le faisceau incident et la direction du détecteur. Ces pics correspondent à des interférences constructives entre les faisceaux diffusés par l'échantillon. Ce diffractogramme est caractéristique des phases cristallines présentes dans l'échantillon analysé. L'analyse de ce diffractogramme et du spectre de fluorescence X a permis de montrer que l'échantillon analysé est composé de terre argileuse avec de nombreux minéraux tels que le quartz, le rutile...
