¿Cómo se identifica la estructura cristalina de un material?

A partir de la posición angular, la intensidad y la forma de los máximos de difracción en un patrón de difracción de rayos X de polvos (figura), se puede obtener información estructural del sólido cristalino que se estudia, tomando en cuenta: a) la posición angular: parámetros de celda, sistema cristalino, grupo espacial de simetría, b) la intensidad: estructura cristalina, posiciones atómicas, factores térmicos y de ocupación y c) el ancho: información microestructural, tamaño de cristal, tensiones.

La determinación y refinamiento estructural a partir de datos de difracción de polvos de un sólido cristalino se divide en tres etapas:

1. Grupo especial de Simetría: se determina al identificar las ausencias sistemáticas en el patrón de difracción de polvos de máximos de difracción con determinados índices de Miller. Si no es posible asignar un único grupo espacial, es necesario tomar el cálculo de la solución estructural en paralelo para los diferentes grupos espaciales de simetría posibles.

2. Determinación Estructural: La estrategia es postular modelos estructurales independientemente de los datos de difracción de polvos. Esto conlleva a la generación de una serie de modelos estructurales mediante el movimiento aleatorio de un fragmento estructural dentro de la celda unitaria a través de un algoritmo de optimización global, aceptando o rechazando cada estructura de prueba mediante la comparación directa entre los patrones de polvos calculado y experimental. A partir del número de estructuras generadas, la mejor estructura se selecciona como modelo estructural inicial para el posterior refinamiento estructural.

3. Refinamiento Estructural: En el refinamiento, el patrón de difracción de polvos calculado se compara punto a punto con el patrón de difracción de polvos experimental, y los parámetros seleccionados que definen el modelo estructural y otros que describen el perfil se ajustan por el método de mínimos cuadrados.

En muchos casos el refinamiento se estabiliza al introducir restricciones geométricas basadas en datos experimentales de estructuras conocidas. Esto permite que se refine un número mayor de parámetros y, generalmente, que el resultado sea mejorado en el caso de refinamiento estructural usando datos que no tengan buena calidad.

De esta manera, se intenta dar una visión general de la metodología para determinar y refinar estructuras cristalinas para nuevos materiales a partir de datos de difracción de rayos X en polvos.