La difracción de rayos X (DRX)

Como dije hace poco, una técnica analítica fundamental para el análisis de  materiales cristalinos es la difracción de rayos X (DRX). En esta entrada intentaré explicar de forma más o menos sencilla el porqué.

Para la entender por qué funciona la DRX hay que tener en cuenta tres ideas básicas.

La primera idea que hay que tener en mente es la siguiente: los átomos de un cristal forman planos (agrupados en familias) que pueden ser más o menos densos. Ya sabemos en líneas generales las particularidades de la estructura cristalina: es una estructura simétrica y periódica. Los átomos forman unidades (celdas unidad) que se repiten periódicamente en todas las direcciones del espacio. Ahora bien, estos átomos también forman planos. En función del plano que se coja éste estará más o menos "lleno", más o menos ocupado:

La segunda idea que hay que tener en cuenta para comprender el funcionamiento de esta técnica reside en el concepto de difracción en sí. Hay quien lo explica (y en mi opinión, acertadamente) como una reflexión. La radiación "rebota" en el plano como si fuese un espejo y el ángulo de incidencia es el ángulo de reflexión:

La tercera idea que hay que tener en mente es el fenómeno de "ondas en fase". Las ondas en fase son aquéllas en las que los máximos y los mínimos coinciden al superponerlas. No tienen por qué tener necesariamente la misma amplitud, pero no deben coincidir unos con sus opuestos:

Si los máximos coinciden las ondas se suman, equivaliendo a una onda de más amplitud (a), mientras que si los máximos coinciden con los mínimos las ondas se anulan (b). En un cristal, como he dicho anteriormente, los planos se agrupan en familias de planos paralelos. Si la interferencia entre ondas es constructiva, al haber muchos planos, la intensidad de la onda resultante será lo suficientemente grande como para que el detector la lea.

Teniendo en cuenta estas tres ideas vayamos ahora a la técnica analítica en sí. Cuando se hace incidir la radiación sobre una muestra habrá planos con los que choque y planos con los que no. Si se hace girar la muestra respecto al ángulo de incidencia de la radiación se podrán abarcar todos los ángulos posibles. La DRX consiste precisamente en eso. Cada vez que la radiación choca con una familia de planos en el ángulo apropiado se produce una interferencia constructiva (ondas en fase), el detector la lee y aparece un pico en el difractograma. Los difractogramas son únicos para cada tipo de sustancia cristalina, como una huella dactilar, así que te permiten identificar la fase que tienes presente en la muestra. 

Este fenómeno se resume en la Ley de Bragg:

Como he dicho, el resultado de esta técnica se lee en un difractograma: reprsentación de la intensidad (eje Y) frente al ángulo de giro (eje X). Evidentemente, en las muestras no te encuentras un solo tipo de fase y hay que resolver los difractogramas para identificarlas todas. Os pongo uno real como ejemplo de muestras sacadas de la Fuente Nueva de Martos (provincia de Jaén):

Donde C es calcita, D es dolomita, Q es cuarzo, W es weddellita y Wh es whewellita.

Fuente de las imágenes:
http://www.theochem.unito.it/crystal_tuto/mssc2008_cd/tutorials/surfaces/surfaces_tut.html
http://www.hablandodeciencia.com/articulos/2011/10/02/adn-la-molecula-mas-bonita-del-mundo/
http://primerodebachilleratofis.blogspot.com/feeds/posts/default
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/quantum/bragg.html

Nota: Como dije en la presentación, este blog lo hago con la intención de facilitar la comprensión de las técnicas científicas de análisis a restauradores. Si eres un estudiante de ciencias te recomiendo mirar en otros sitios más especializados porque esto se te quedará corto. Las explicaciones estarán destinadas para facilitar la comprensión a gente con una formación que no sea de ciencias.