Applications

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Quelques notions de base sur la diffraction des rayons X à l’attention des personnes n’ayant pas de connaissances particulières en ce domaine.

Nature de l’information

La diffraction des rayons X est une technique non destructive qui fournit des informations structurales sur la matière cristallisée, c’est-à-dire sur la périodicité et la symétrie de la structure cristalline ainsi que sur la disposition spatiale absolue des atomes et molécules : distances et angles entre les atomes. Cette technique permet aussi de mettre en évidence si un échantillon est cristallisé, partiellement cristallisée, présente des défauts de cristallisation ou encore est amorphe.

Quelques applications

L’information structurale primaire fournie par la diffraction conduit à diverses applications, des plus fondamentales aux plus appliquées.

Caractérisation structurale

La caractérisation structurale est l’application la plus fondamentale. C’est par exemple elle qui a conduit en 1953 à la découverte de la structure en double hélice de l’ADN par Krick et Watson.

Identification de phases

L’étude par diffraction de nombreuses substance a conduit à constituer de vastes bases de données faisant de cette technique une méthode très performante d’identification d’une substance inconnue ou d’un mélange de substances, par exemple celles présentes dans une poudre à laver.

Polymorphisme cristallin

La même substance peut présenter différentes structures cristallines, c’est le polymorphisme cristallin. Par exemple, la même molécule à usage thérapeutique pourra se présenter à l’état solide sous deux variétés cristallines différentes dont l’une pourra être beaucoup plus soluble que l’autre - avec la différence d’effet sur le patient que l’on imagine...

Cristallinité

Les données de diffraction fournissent des informations sur l’état de cristallisation d’une substance. Elles sont ainsi sensibles à la taille des cristallites, à la texture ou aux contraintes présentes dans un matériau.

Dosage

Des protocoles adaptés permettent de doser les proportions respectives de diverses substances au sein d’un mélange.

La diffraction des rayons X

Les rayons X

Il s’agit, comme la lumière visible, d’un rayonnement électromagnétique, mais d’une longueur d’onde environ 5000 fois plus courte. Cette longueur d’onde est de l’ordre de la distance entre les atomes dans la matière à l’état solide. Les rayons X constituent pour cela une sonde de choix pour analyser la structure du solide à l’échelle atomique, tout particulièrement lorsque ce solide est cristallisé et présente donc le phénomène de diffraction.
Des rayons X de longueur d’onde caractéristique sont produits en appliquant à un dispositif spécifique appelé « tube à rayons X », une haute tension électrique, de l’ordre de 40 000 Volt. C’est une source de rayons X. A la coupure de l’alimentation électrique, l’émission de rayonnement X s’interrompt instantanément sans aucune rémanence.

Le cristal

Un cristal est un solide constitué d’atomes ou de molécules, dans lequel les positions des atomes ou des molécules se répètent régulièrement dans l’espace. Un cristal peut donc être décrit comme la répétition à l’infini d’une « brique » parallélépipédique qui constitue la maille cristalline.

Le phénomène de diffraction

Lorsqu’un cristal est soumis à un faisceau de rayons X de longueur d’onde déterminée (rayonnement dit monochromatique), ce solide réémet des rayons X de même longueur d’onde dans une série de directions particulières. On dit que le cristal diffracte. Ces directions particulières sont liées à la forme géométrique de la maille cristalline qui exprime la périodicité du cristal. Par ailleurs, les intensités relatives de ces rayons diffractés dans ces diverses directions dépendent de la nature et de la disposition relatives des atomes les uns par rapport aux autres à l’intérieur de la maille. La résolution du problème inverse, c’est à dire déterminer les positions respectives des atomes les uns par rapport aux autres à partir des intensités diffractées se nomme la résolution de la structure cristalline. Cette opération peut être complexe et nécessite pour être correctement réalisée, une personne qualifiée possédant le savoir-faire du cristallographe. Dans d’autres domaines, comme par exemple l’identification de phases ou le contrôle, des utilisateurs moins expérimentés peuvent rapidement tirer profit des résultats de mesures en diffraction.

Le diffractomètre à rayons X

D’après ce qui précède, pour analyser un échantillon par diffraction des rayons X, le diffractomètre comportera :

  • une enceinte de confinement des rayonnements pour la sécurité des utilisateurs,
  • une source de rayons X avec conditionnement du faisceau émis,
  • un détecteur de rayons X pour mesurer l’intensité des faisceaux diffractés,
  • un environnement d’échantillon pour le disposer de façon optimale pour la diffraction,
  • un goniomètre pour mesurer avec précision les angles entre faisceaux incident et diffractés,
  • un environnement informatique dédié au pilotage du diffractomètre et au traitement des données.