Difractómetro
# Difractómetro

El difractómetro es un instrumento utilizado para medir la difracción de un haz de radiación incidente sobre una muestra de un material. Los difractómetros se emplean para los experimentos de difracción de rayos X y difracción de neutrones.

Los primeros difractómetros utilizaban una placa fotográfica sensible a los rayos X y constaban de un tubo y soportes para la muestra y la placa. El conjunto de aparatos se rodeaba de una caja o carcasa como protección contra la radiación, por lo que a veces se usa el término «cámara». Los difractómetros modernos están controlados remotamente por ordenador y cuentan con elementos ópticos, como monocromadores, goniómetros para una orientación precisa de la muestra respecto al haz incidente y detectores digitales.

## Fuentes de radiación

La radiación normalmente empleada en los difractómetros tiene una longitud de onda del orden de $10^{-10}$ m, el mismo orden de magnitud que la distancias interatómicas en los sólidos.

### Fuentes de rayos X

La fuente de rayos X suele ser bien un tubo de rayos X o radiación sincrotrón emitida por aceleradores de partículas. En los tubos de rayos X, se aplica un voltaje para acelerar un haz de electrones producidos por calentamiento de un filamento de wolframio —el cátodo—. Los electrones acelerados colisionan contra un material metálico —el ánodo— y ceden su energía al material, que emite rayos X mediante dos procesos: Por un lado, los electrones experimentan una desaceleración y emiten radiación de Bremsstrahlung de espectro continuo, es decir, compuesta de múltiples longitudes de onda. Por otro lado, los electrones del ánodo pueden absorber la energía impartida por el haz de electrones para escapar a la atracción del núcleo y abandonar su nivel atómico; los electrones de niveles de energía superiores ocupan el nivel vacío, emitiendo fluorescencia o emisión característica de energía igual a la diferencia entre los dos niveles atómicos. Para los experimentos de difracción es preferible la radiación monocromática correspondiente a la emisión característica del ánodo, aislada mediante el empleo de filtros de metal o de monocromadores para absorber las longitudes de onda no deseadas. La radiación sincrotrón se obtiene cuando un haz de partículas cargadas, generalmente electrones, aceleradas hasta alcanzar una velocidad cercana a la de la luz, es desviado de su trayectoria por medio de un campo magnético. Las fuentes de radiación sincrotrón emiten rayos X mucho más intensos que los generados por los tubos y son necesarias para mejorar la calidad de la difracción en ciertos experimentos.

### Fuentes de neutrones

Los neutrones para experimentos de defracción pueden ser generados en reactores nucleares, por el proceso de fisión de núcleos atómicos pesados; o por espalación, mediante el bombardeo de un blanco (por ejemplo, plomo líquido) por protones a los que se ha suministrado una alta energía en un acelerador de partículas. Los neutrones así obtenidos se desaceleran en un material moderador agua pesada o hidrógeno líquido hasta que tengan una longitud de onda de unos $10^{-10}$ m. Como con los rayos X, se puede conseguir un haz de neutrones muy monocromático con la ayuda de un monocromador o filtros.

## Cámara de Laue

La cámara de Laue es la instalación más simple para medir un patrón de difracción, pero es solo apropiada para monocristales. Consiste de una fuente de radiación que emite en un amplio espectro (espectro policromático), una montura para las muestras, y un soporte para el detector de rayos X. La muestra produce difracción para el rango entero de longitudes de onda en el haz policromático mientras la muestra permanece inmóvil. La imagen resultante se utiliza para determinar los parámetros de la red cristalina y la orientación de la red con respecto a la superficie analizada. Es similar al patrón de difracción obtenido por microscopía electrónica de transmisión.

Existen dos variantes de la cámara de Laue: en la primera, el cristal se emplaza entre la fuente de rayos X (Laue por transmisión); en la segunda, el detector se sitúa entre la fuente y el cristal, para detectar los haces difractados hacia atrás (Laue por reflexión).

La cámara de Laue se usa para experimentos en los que es necesario medir todos los datos necesarios para la determinación de la estructura en un corto tiempo, como, por ejemplo, el estudio de reacciones químicas que tienen lugar en pocos segundos, como catálisis por enzimas y zeolitas y los efectos de perturbaciones causadas por campos eléctricos, cambios de presión y temperatura, etc. en diversos materiales.

## Cámara de Debye-Scherrer

La cámara de Debye-Scherrer, inventada en 1916 por Peter Debye y Paul Scherrer, consta de una cámara de forma cilíndrica, en cuyo centro se ubica la muestra, en este caso compuesta por un polvo de microcristales en múltiples orientaciones y una fuente de radiación monocromática. La muestra policristalina produce conos de difracción.

Durante gran parte del siglo XX se utilizó película fotográfica como detector; al incidir sobre la película, los conos de difracción adoptan una forma de anillos elípticos. Tras el desarrollo de difratómetros equipados con detectores electrónicos unidimensionales, estos empezaron a reemplazar a las cámaras de Debye-Scherrer para aplicaciones de cristalografía de polvo, usando la geometría Bragg-Brentano en la que la fuente de radiación y el detector se emplazan a igual distancia de la muestra, y el ángulo del detector respecto a la muestra varía continuamente para interceptar la difracción en todas la direcciones.

La cámara de Debye-Scherrer y las variantes modernas para muestras policristalinas en polvo se usan cuando el material a estudiar no forma monocristales de un tamaño suficiente para producir difracción detectable o cuando no es necesario determinar la estructura; por ejemplo, en el análisis de minerales presentes en una muestra.

## Métodos de rotación

Cuando se utiliza un haz monocromático para estudiar muestras monocristalinas, es precisa una rotación de la muestra con respecto al haz para capturar los rayos difractados en todas las direcciones posibles. Existen varias configuraciones que permiten alcanzar este objetivo, como la cámara de Weissemberg, la cámara de precesión o la cámara de oscilación.

### Cámara de Weissenberg

En la cámara de Weissenberg, la muestra se aloja en el interior de una película fotográfica cilíndrica que actúa como detector sobre el mismo eje que la muestra. Normalmente, se usa un segundo cilindro de metal, coaxial con el primero, con una ranura tal que solo los haces difractados en el mismo plano lleguen hasta el detector. La película se traslada horizontalmente a medida que gira el cristal, para evitar la posible superimposición de manchas de difracción. Este aparato fue desarrollado en 1924 por el científico austriaco Karl Weissenberg, del que recibe su nombre, y se utilizó durante varias décadas debido a que facilitaba la interpretación de los patrones de difracción antes de que se empezaran a usar computadoras para esta tarea.

### Cámara de precesión

La cámara de precesión se basa en el método ideado por Martin Buerger a principios de la década de 1940. Esta cámara utiliza un detector plano, cuyo soporte está unido al eje de rotación del cristal. El cristal se orienta de tal modo que un eje de simetría del cristal sea paralelo al haz de radiación incidente. El patrón de difracción resultante es una representación sin distorsiones de la red cristalina en el espacio recíproco. Entre la muestra y el detector se ubica una plantilla anular que también oscila junto al cristal y detector y que solo permite el paso a el acceso a la difracción proveniente de un plano en particular. La desventaja de este dispositivo frente a la cámara de Weissenberg es que al usar un detector plano, el ángulo sólido explorado es menor.

### Cámara de oscilación

En la versión más simple de las geometrías de rotación, el cristal se ubica en una orientación aleatoria y se hace girar u oscilar alrededor de un eje perpendicular at haz de radiación; el detector, generalmente plano, se ubica detrás de la muestran en una posición fija mientras dura el experimento. La amplitud de las oscilaciones depende de las dimensiones de la celda unidad del cristal: a medida que estas aumentan es necesario disminuir el ángulo de oscilación para evitar la superposición de los puntos de difracción con origen en diferentes planos cristalinos. La desventaja de este método es que resulta difícil interpretar el patrón de difracción resultante. Sin embargo, los avances en computación de los años 70 posibilitaron el uso de programas para hallar automáticamente la orientación y los parámetros cristalinos consistentes con el patrón de difracción observado, por lo que esta configuración es la más usada desde entonces, sobre todo para experimentos de cristalografía de macromoléculas.

## Goniómetro

La orientación precisa cristal con respecto al haz de rayos X o neutrones es importante para el estudio de monocristales con radiación monocromática, para poder obtener difracción de todos los planos del cristal. El desarrollo de los ordenadores digitales y los avances en computación en los años 70, posibilitaron la construcción de difractómetros automatizados equipados con goniómetros de cuatro círculos: tres de los círculos controlan la orientación del cristal, mientras que el cuarto círculo porta el detector. Entre los goniómetros de cuatro círculos, hay dos geometrías ampliamente utilizadas: la geometría Euler y la geometría Kappa.

En la geometría euleriana, uno de los ejes —denominado por la letra griega χ o 'chi'— permite una rotaciónde la muestra de 360 grados en el plano vertical. Esta construcción presenta la ventaja de ser mecánicamente muy estable, pero dificulta la instalación de instrumentos auxiliares para controlar las condiciones de la muestra durante el experimento, como temperatura, presión, etc. En la geometría kappa, se sustituye el eje chi por un κ o 'kappa' no ortogonal al eje phi, que mejora la accesibilidad a la muestra, y con una orientación tal que, en combinación con el círculo exterior del goniómetro —ω u 'omega'— se obtine una rotación del cristal equivalente a 90 grados sobre el círculo euleriano chi.

Versiones más simples del goniómetro cuentan solo con dos ejes de rotación, uno para la muestra y otro para el detector, o simplemente el eje phi, alrededor del cual se hace girar el cristal.

## Detector

Los dispositivos usados para la detección de los rayos difractados pueden bien medir estos uno a uno o interceptar una parte amplia del patrón de difracción sobre una superficie. Entre los detectores del último tipo, el más usado durante mucho tiempo fue la película fotográfica, actualmente reemplazada por otros detectores más sensibles a los rayos X. Otro detector clásico del primer tipo es el contador proporcional unidimensional, normalmente un detector de centelleo, instalado en un difractómetro y controlado por ordenador. Este tipo de detector mide las reflexiones una a una y todavía se usa para la cristalografía de moléculas pequeñas, pero es poco eficaz en los experimentos con macromoléculas, donde el número de reflexiones ronda entre 10 000 y 100 000.

A partir de los años 1990 empezaron a aparecer nuevos detectores, como las «placas de imagen» (image plates). Las placas de imagen están recubiertas de un material fosforescente, donde los electrones incrementan su energía al absorber los rayos X difractados y son atrapados en este nivel en centros de color. Los electrones liberan la energía al iluminarse la placa con luz láser, emitiendo luz con intensidad proporcional a la de la reflexión. Estos detectores son un orden de magnitud más sensibles que la película fotográfica y poseen un margen dinámico superior en varios órdenes de magnitud, lo que facilita la medición simultánea de las reflexiones más intensas y las más débiles. Otros detectores usados en la actualidad son detectores electrónicos, conocidos como detectores «de área», que procesan la señal inmediatamente tras la detección de los rayos X. Pueden ser cámaras de ionización o una placa fosforescente acoplada a una cámara CCD. En los años 2000 se empezaron a utilizar fotodiodos alineados formando una placa, denominados PAD (Pixel Array Detectors). Estos detectores se caracterizan por un gran margen dinámico y un tiempo muerto entre imágenes muy bajo, del orden de milisegundos.

