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A dual wavelength X-ray single crystal diffractometer for accurate investigations at extreme conditions

English title A dual wavelength X-ray single crystal diffractometer for accurate investigations at extreme conditions
Applicant Macchi Piero
Number 177033
Funding scheme R'EQUIP
Research institution Departement für Chemie und Biochemie Universität Bern
Institution of higher education University of Berne - BE
Main discipline Physical Chemistry
Start/End 01.08.2018 - 31.07.2019
Approved amount 200'000.00
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Keywords (5)

X-ray diffraction; electron density analysis; non-ambient conditions; high-pressure crystallography; nanoporous materials

Lay Summary (Italian)

Lead
Lo scopo di questo progetto è l’acquisto di una apparecchiatura per la misurazione della diffrazione di raggi X da cristalli singoli. Lo strumento si chiama appunto diffrattometro e consente di ottenere in modo abbastanza rapido immagini dei raggi diffratti da un cristallo irradiato con raggi X. L’utilizzo di questa apparecchiatura è legato agli studi che si svolgono presso il dipartimento di Chimica e Biochimica e presso l’istituto di Geologia dell’Università di Berna. In particolare, vengono investigati materiali naturali o sintetici, con l’intento di determinare la struttura atomica e quella elettronica in condizioni normali oppure ad alta pressione e alta o bassa temperatura. In fatti, la struttura dei materiali (e la risposta a particolari stimoli) dipende enormemente dalle condizioni termodinamiche. I due dipartimenti dell’università di Berna svolgono ricerche esclusive in questi ambiti e usufruiranno di tecnologia all’avanguardia grazie all’acquisto di questa apparecchiatura.
Lay summary

La struttura della materia può essere determinata in vari modi. Attraverso la microscopia (ottica o elettronica), la tomografia (con raggi X), la spettroscopia (con diversi tipi di radiazione) oppure la diffrazione (con radiazioni penetranti, quali i Raggi X o fasci di elettroni e di neutroni).  

A partire dalla scoperta dei raggi X (1895), gli scienziati hanno potuto usufruire delle tecniche ad essi correlate, in particolare quelle diffrattive. Infatti i primi esperimenti di diffrazione a raggi X risalgono al 1913. Con questa tecnica è divenuto possibile determinare la composizione di solidi cristallini e la precisa disposizione degli atomi al loro interno. Questa tecnica è stata molto utilizzata, in particolare con lo scopo di determinare la struttura di molecole cristallizzate, oppure di sistemi estesi, polimerici, ionici o metallici.

Malgrado la sua ragguardevole età, la diffrazione è ancora molto utilizzata, non solo con raggi X ma anche con fasci di particelle, quali neutroni o elettroni. Annualmente si determinano oltre 100'000 strutture di molecole, decine di migliaia di solidi inorganici e minerali, e alcune migliaia di proteine.

Un diffrattometro è, in un certo senso, un microscopio incompiuto, al quale manca la lente proiettiva che consente di riprodurre un’immagine, magnificata, dell’oggetto. Tuttavia questa apparente deficienza è compensata dal fatto che con un modello relativamente semplice della disposizione degli atomi nel cristallo è possibile ricostruire “virtualmente” l’immagine con una risoluzione addirittura maggiore, e quindi con una maggiore capacità di dettaglio. Infatti, lo scopo di una determinazione struttura a raggi X non è soltanto quello di stabilire la posizione degli atomi. Poiché i Raggi X sono deflessi dalla interazione con gli elettroni del materiale, è possibile anche determinare la precisa distribuzione di densità elettronica, molto importante per studi sul legame chimico e sulle proprietà di un materiale.

Nei progetti realizzati presso l’università di Berna, si utilizza la diffrazione di Raggi X su campioni cristallini in condizioni ambientali (ossia pressione di un bar e temperatura di 25°C) ma anche non ambientali (da -200 °C fino a + 500 °C e da 1 bar fio a 200'000 bar) usando opportuno equipaggiamento sviluppato in parte in questi laboratori. Gli scopi sono molteplici, ma prevalentemente legati allo studio delle proprietà dei materiali (organici, inorganici, metallorganici, sintetici o naturali) e delle loro risposte al variare della temperatura o della pressione.

Questi studi sono all’avanguardia nel panorama della ricerca in Svizzera e nel mondo. L’acquisto di un nuovo diffrattometro consente di estendere questi studi grazie all’uso di radiazioni con energie diverse, maggiore intensità dei fasci e migliore capacità di acquisizione dei dati. Questo consentirà di ottenere risultati con maggiore risoluzione spaziale o temporale.

Direct link to Lay Summary Last update: 01.12.2017

Responsible applicant and co-applicants

Project partner

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
162861 Chemical bonding and reactions in molecular crystals at high pressure 01.10.2015 Project funding (Div. I-III)
167048 Antimicrobial peptide dendrimers (AMPD) and bicyclic peptides (AMBP) as therapeutic agents against multidrug resistant bacteria 01.03.2017 NRP 72 Antimicrobial Resistance
173997 Insight into sorption mechanism of natural zeolites: Investigation of the bulk structural and surface-modifications after heavy-metal treatment in aqueous solutions 01.05.2018 Ambizione
160157 Physical and chemical properties from the electron density distribution of materials 01.04.2015 Project funding (Div. I-III)
172532 Computer simulations studies of the electronic structure of chemical species in their realistic condensed-phase environment 01.04.2017 Project funding (Div. I-III)
165548 Dissolution, growth and toxic ion uptake at phyllosilicate surfaces: Coupling atomistic interactions at the mineral-water interface with Kinetic Monte Carlo model. 01.01.2017 Project funding (Div. I-III)

Abstract

Crystallography and X-ray diffraction have long and prestigious tradition at the University of Bern, encompassing structural chemistry, bio-crystallography, material science and mineralogy. The currently ongoing research projects are carried out at the department of chemistry and bio-chemistry (mainly by the chemical crystallography group) and at the department of geology (by the mineralogy group). The most important research activities concern the investigation molecular crystals or minerals at extreme conditions, such as high pressure (1-20 GPa) and high or low temperature (10-800 K). The main purposes of these studies are the investigations of: a) accurate electron density distributions; b) phase transformations or reactions in solids induced by changes of the thermodynamic conditions; c) kinetic effects during solid-solid transformations, d) structure-property correlation. Together with the theoretical modelling, these studies provide the basis for understanding interatomic or intermolecular interactions in solids and the development of new functional materials. All these research projects require the highest accuracy to measure Bragg intensities reflected by a sample and the ability to detect very weak intensities, especially when they occur simultaneously with the strong ones. Some studies additionally require the highest diffraction resolution, especially if the equipment for the extreme conditions reduce the optical path. For these reasons, a diffractometer of the new generation is necessary, equipped with modern micro-sources of both Cu K_alpha (high brilliance) and Ag K_alpha (high resolution) radiations, together with a high sensitivity and large dynamic range detector. The diffractometers currently available in our laboratories are no longer competitive, because equipped with CCD-type detectors (suffering from lower dynamic range and larger electronic noise) and Mo radiation source. The modern Ag K_alpha radiation micro-sources have significantly improved their brilliance and enable collecting very high resolution X-ray diffraction (ca. 25% higher than with Mo) within a reasonable amount of time. The extremely brilliant Cu K_alpha radiation enables easier detection of weak intensities and very rapid structure determinations necessary to study the dynamics and the mechanisms during rapid changes of the thermodynamic conditions. There is a perfect match between the necessities of the two main research groups, as well as those of other research groups at the University of Bern. A joint diffractometer will bring additional advantages: a) shared competences; b) common set up for studies at extreme conditions; c) reduced costs (purchase and maintenance) for each unit; d) the mineralogy group will have access to Cu K_alpha radiation, that is rarely exploited by mineralogists, although potentially useful to investigate kinetic effects. In addition, because of established collaborations with other re-search institutions in Switzerland, the benefits will be more widespread.
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