Servicestelle Röntgenbeugung

Aufgaben und Ziele der Servicestelle

Die Servicestelle Röntgenbeugung bietet einkristall- und pulverdiffraktometrische Untersuchungen als zentralen Service an. Sie beteiligt sich an Forschung und Lehre in der Fachrichtung Chemie und angrenzenden Fachgebieten und stellt die notwendigen Datenbanken und Programme zur Auswertung und Darstellung der Ergebnisse bereit.

Publikationen unter Mitarbeit der Servicestelle Röntgenbeugung.

Einkristalldiffraktometrie
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Pulverdiffraktometrie
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► Einkristalldiffraktometrie

Mitarbeiter Servicestelle - Einkristalldiffraktometrie

Dr. Bernd Morgenstern
Campus C4.1
Raum 3.01
Tel.: ++49/ 681/ 302-64073
E-Mail

 

Die bisher schon gelebte Praxis, die Möglichkeiten der Einkristallstrukturanalyse allen Interessenten auch außerhalb der Anorganischen Chemie zugänglich zu machen, wird hiermit als zentraler Service angeboten.

Die Methode ermöglicht die Strukturaufklärung, also die Bestimmung der Anordnung und Bindung von Atomen in einem kristallinen Festkörper. Hierzu wird das Beugungsbild des Kristalls aufgezeichnet und daraus durch Fouriersynthese die Elektronenverteilung im Kristallraum und somit die Atomanordnung berechnet.

Die Einkristallstrukturanalyse ist die Methode den Strukturbeweis einer Verbindung zu erbringen. Voraussetzung ist allerdings ein geeigneter Einkristall.

Möglichkeiten

Der Service reicht von der Auswahl eines geeigneten Kristalls über die Messung des Datensatzes bis hin zur Auswertung der Daten und Darstellung des Ergebnisses als Zeichnung und Tabellen.

Es stehen zwei Diffraktometer zur Verfügung. Ein älteres X8 ApexII mit CCD Detektor und das neue D8 Venture mit deutlich intensiveren Mikrofokus-Quellen für Mo- und Cu-Strahlung. Durch diese Effizienzsteigerung der Strahlung und die neue Detektortechnologie ist eine schnellere Datenerfassung und auch die Bearbeitung noch wesentlich kleinerer Kristalle möglich. Da nun standardmäßig mit Cu-Strahlung gemessen werden kann, ist die Bestimmung der "absoluten Konfiguration" enantiomerenreiner organischer Verbindungen gegeben. Beide Geräte sind mit einer Anlage zur Kühlung der Kristalle während der Messung bis 100 K ausgestattet.
Die Güte des Datensatzes und der damit verbundenen Strukturlösung wird jedoch nicht maßgeblich durch das Gerät, sondern durch die Qualität des Kristalls beeinflusst. Die Mühe beim Kristallisieren wird im Ergebnis belohnt. Durch die an beiden Geräten vorhandene Flächenzählertechnologie  ist die Toleranz gegenüber schlechteren Kristallen größer als bei Geräten älterer Bauart. Daher kann auch eine Strukturbestimmung mit mäßig guten Datensätzen gelingen. Allerdings sind die Ergebnisse dann meist nicht publikationsfähig.

Die vorhandene Cambridge Strukturdatenbank erlaubt den Vergleich der erhaltenen mit bereits publizierten Einkristallstrukturen und ermöglicht statistische Auswertung von Datenbankeinträgen.

Die Strukturbestimmung von Biomolekülen (Proteinkristallographie) ist in der Servicestelle nicht möglich.

► Pulverdiffraktometrie

Mitarbeiter Servicestelle - Pulverdiffraktometrie

Dr. Oliver Janka
Campus C4.1
Raum 4.01
Tel.: ++49/ 681/ 302-70665
E-Mail
Terminbuchung für Messzeit (nur für eingewiesene Nutzer)

 

Mit Hilfe der Röntgenpulverdiffraktometrie können (in der Regel) kristalline Proben zerstörungsfrei untersucht werden. Dabei lassen sich Aussagen über Reinheit bzw. die Zusammensetzung der Probe (Phasenanalytik) treffen, sowie die Gitterparameter der vorhandenen Phasen verfeinern. Besteht eine Probe aus mehreren Substanzen oder Phasen, kann außerdem deren jeweiliger Anteil mit Hilfe einer Rietveld-Verfeinerung ermittelt werden. Abgesehen von der Phasenanalyse erlaubt diese Methode bei bekannter Zusammensetzung Aussagen zur Realstruktur wie beispielsweise Kristallitgröße oder Textur zu treffen. Außerdem können neben den Gitterparametern auch Atompositionen und Temperaturfaktoren für die Struktur extrahiert werden, wenn Grundzüge der Kristallstruktur bekannt sind. Temperaturabhängige Messungen erlauben schließlich Aussagen über das Verhalten der Probe bei verschiedenen Temperaturen, damit lassen sich Phasenübergängen besser verstehen.

Messungen

Der Service reicht von der Beratung bezüglich der benötigten Messung über deren Durchführung (inkl. Probenvorbereitung) bis hin zu einer vollständigen Auswertung der Messdaten. Bei absehbaren erhöhten Nutzungsaufkommen ist ebenfalls die Schulung für eigenständiges Messen möglich.

Infrastruktur

Es stehen vier Pulverdiffraktometer, alle momentan mit einer Cu-Röhre ausgerüstet, zur Verfügung. Neben dem Bruker D8 ADVANCE Diffraktometer, welches hauptsächlich für Auftragsmessungen zur Verfügung steht, können weiterhin Proben auf drei PANalytical X‘Pert Pro Geräten gemessen werden. Eines der Geräte ist mit einer Hochtemperaturkammer der Firma mri (Temperaturbereich 300-1273 K) ausgestattet, ein weiteres Gerät verfügt über einen Probenwechsler und steht für messberechtigte Personen zur Verfügung.
Empfindliche Proben können entweder mit Hilfe eines "Doms" oder durch einschmelzen in eine Kapillare vor Atmosphärilien geschützt werden.
Mit Hilfe einer Reaktionskammer (XRK 900) sind weiterhin Messungen unter Einwirkung verschiedener Gase (Ar, N2, O2) auch bei erhöhtem Druck (bis 10 bar) oder im dynamischen Vakuum möglich.

Bruker D8 ADVANCE Diffraktometer (Cu-Strahlung)

  • Bragg-Brentano Geometrie, Messbereich 2θ ca. 3,5-150°
  • Cu-Strahlung (40 kV, 40 mA)
  • Detektor: Lynxeye 1D
  • Primärseitig: variable Divergenzblende, Ni-Filter, Sollerblende
  • Sekundärseitig: variable Divergenzblende möglich, Sollerblende
  • Probenwechsler (6 Racks à 15 Proben)
  • Weiteres Zubehör: Anton Paar Hochtemperaturkammer HTK1200N (300-1473 K, 1 bar), Anton Paar Reaktionskammer XRK900 (300-1173 K, 10 bar), Kapillarprobenträger
 

PANalytical X‘Pert Pro – Gerät 1

  • Bragg-Brentano Geometrie, Messbereich 2θ ca. 5-150°
  • Cu-Strahlung (40 kV, 40 mA)
  • Detektor PIXcel1D
  • Primärseitig: Sollerblende (horizontal, 0,02 o. 0,04 rad), variable Divergenzblende
  • Sekundärseitig: Sollerblende (horizontal, 0,02 o. 0,04 rad), variable Streustrahlblende
  • Probenwechsler (1 Rack à 15 Proben)
  • Weiteres Zubehör: Spiegel + Doppelplanmonochromator

Terminbuchung für Messzeit (nur für eingewiesene Nutzer auf diesem Gerät)

 

PANalytical X‘Pert Pro-MPD – Gerät 2

  • Bragg-Brentano Geometrie, Messbereich 2θ ca. 5-150°
  • Cu-Strahlung (40 kV, 40 mA)
  • Detektor PIXcel1D
  • Primärseitig: Sollerblende (horizontal, 0,02 o. 0,04 rad), variable Divergenzblende
  • Sekundärseitig: Sollerblende (horizontal, 0,02 o. 0,04 rad), variable Streustrahlblende
  • Weiteres Zubehör: Anton Paar Hochtemperaturkammer HTK1200N (300-1473 K, 1 bar) – nicht angeschlossen
 

PANalytical X‘Pert Pro-MPD – Gerät 3

  • Bragg-Brentano Geometrie, Messbereich 2θ ca. 5-150°
  • Cu-Strahlung (40 kV, 40 mA)
  • Detektoren: MiniProp (Gasionisationszähler) und Halbleiterstreifendetektor (X’Celerator)
  • Primärseitig: Sollerblende (horizontal, 0,02 o. 0,04 rad), variable Divergenzblende
  • Sekundärseitig: Sollerblende (horizontal, 0,02 o. 0,04 rad), variable Streustrahlblende
  • Hochtemperaturkammer MRI TC radiation (300-1273 K) mit direkter und indirekter Probenheizung auf Platinblech oder in Al2O3 Schiffchen
  • Weiteres Zubehör: Einzelprobenträger, Drehprobenträger
 

Nutzerordnung der Servicestelle, Antragsformulare & Ablauf

Nutzerordnung

Für alle Messungen die in der Servicestelle Röntgenbeugung durchgeführt werden gilt ab dem 01.02.2021 die neue Nutzerordnung.
Diese kann hier  heruntergeladen (Fassung vom 27.01.2021) werden.

Messantragsformular

Ab dem 01.02.2021 muss für Messungen ein Messantragsformular ausgefüllt und mit den Proben abgegeben werden.
Formular Einkristalldiffraktometrie
Formular Pulverdiffraktometrie

Ablauf der Messung

Die Proben werden möglichst nach der Reihenfolge ihres Eingangs abgearbeitet. Über den konkreten Ablauf entscheidet allerdings die Expertise des Operators. Bitte vorher per E-Mail die messtechnischen Bedingungen klären.
Einkristalldiffraktometrie: scxrd(at)uni-saarland.de
Pulverdiffraktometrie: pxrd(at)uni-saarland.de
Terminbuchung für Messzeit (nur für eingewiesene Nutzer)

Probenabgabe

Einkristalldiffraktometrie:
Die Proben können im Gebäude C4.1, Raum -2.01 abgegeben werden. Bitte vorher kurz anrufen und Messantrag vollständig ausgefüllt mitbringen.
Da nur ein kleiner Einkristall benötigt wird, ist die Probenmenge normalerweise gering. Es sollte aber eine größere Menge an Kristallen zur Auswahl verfügbar sein, da die Qualität des Kristalls direkt proportional zum Ergebnis ist. Nicht benötigtes Material wird wieder zurückgegeben.
Es ist vorteilhaft die Kristalle in der Lösung zu belassen. Also nur soweit einengen, bis sich Kristalle bilden und dann gut verschlossen abgeben. Oft werden Lösungsmittelmoleküle mit in das Gitter eingebaut, die aufgrund ihrer schwachen Anbindung leicht entweichen, was dann zum Zerfall der Kristalle führt. Außerdem kann es durch Verunreinigungen, die noch in der Lösung sind, nach dem völligen Entfernen des Solvents, zu Verklebungen der Kristalle mit der Gefäßwand kommen. Diese können in Folge dessen nicht mehr unzerstört entnommen werden. Die Größe des Gefäßes sollte zu der Probenmenge in einem einigermaßen rationalen Verhältnis stehen. Es macht keine Freude, aus einem großen Kolben einige winzige Kristalle, die dann noch fast unerreichbar seitlich an der Wand sitzen, herauszufischen.
Für luft- und feuchtigkeitsempfindliche Substanzen gibt es spezielle Verfahren. Das Vorgehen wird im Einzelfall abgesprochen.

Pulverdiffraktometrie:
Die Proben können im Gebäude C4.1, Raum 4.01 abgegeben werden. Bitte vorher einen Termin vereinbaren und den Messantrag vollständig ausgefüllt mitbringen.
Die benötigte Probenmenge hängt von der Substanzklasse und dem gewünschten Messverfahren ab. Details hierzu werden im Vorgespräch geklärt.
Für luft- und feuchtigkeitsempfindliche Substanzen gibt es spezielle Verfahren. Auch hier wird das Vorgehen im Einzelfall abgesprochen.

Verwendung der Daten

Im Fall von Fachpublikationen sind die Beiträge der Servicestelle den wissenschaftlichen Gepflogenheiten entsprechend zu berücksichtigen. Alle Manuskripte die Röntgenpulverdaten enthalten, welche in der Servicestelle gemessen wurden, müssen zur Überprüfung vorgelegt werden. So können sachliche Fehler im Zusammenhang mit der Darstellung der Daten vermieden werden. Abbildungen sowie eine kristallographische Zusammenfassung (cif-Datei - Crystallographic Information File) werden zu Verfügung gestellt.
Erfolgte Publikationen oder Patente, die auf Ergebnissen der erbrachten Serviceleistungen basieren, müssen den Verantwortlichen der Servicestelle mitgeteilt werden.

Textbausteine für die Pulverdiffraktometrie - PDF - docx

► Weitere Informationen und Services

Lehrveranstaltungen an der Universität des Saarlandes

Folgende Lehrveranstaltungen befassen sich mit der Röntgendiffraktion:

  • Festkörperchemie und Strukturchemie (AC05), Wintersemester, Dozenten: Prof. Kickelbick und Dr. Janka
  • Strukturchemie und Kristallographie (AC10), Wintersemester, Dozenten: Prof. Kickelbick und Dr. Janka
  • Praktikum Kristallographie und Strukturchemie (ACK), Wintersemester, Dozenten: Prof. Kickelbick und Dr. Janka

Datenbanken und Programme

Der Servicestelle Röntgenbeugung steht der Zugang zur CSD (The Cambridge Structural Database) und zur ICSD (Inorganic Crystal Structure Database) zur Verfügung. Dort werden Strukturdaten organischer und metallorganischer Verbindungen oder Metallkomplexe bzw. anorganische (Festkörper-)strukturdaten hinterlegt. Es steht außerdem eine Pulverdatenbank (PDF-2) zur Verfügung.
Für die professionelle Darstellung der Bilder und strukturelle Untersuchungen gibt es Zugang zu den kristallographischen Programmen Diamond, Mercury und Platon.

Publikationen mit Beteiligung der Servicestelle

2021

3

 

l. Wang, K. Frisella, P. Srimuk, O. Janka, G. Kickelbick, V. Presser:
Electrochemical lithium recovery with lithium iron phosphate: What causes performance degradation and how can we improve the stability?
Sustain. Energy Fuels 2021, accepted.

2

 

S. Pohl, O. Janka, E. Füglein, G. Kickelbick:
Thermoplastic Silsesquioxane Hybrid Polymers with a Local Ladder-Type Structure
Macromolecules 2021, 54, 3873–3885.

[DOI: 10.1021/acs.macromol.1c00310]

1

 

P. Shankhari, O. Janka, R. Pöttgen,B. P. T. Fokwa:
Rare-Earth-free Magnets: Enhancing Magnetic Anisotropy and Spin Exchange Toward High-TC Hf2MIr5B2(M = Mn, Fe)
J. Am. Chem. Soc. 2021, online.

[DOI: 10.1021/jacs.0c10778]