Diffrazione di polveri (XRD): identificare le fasi in controllo qualità

In un laboratorio di controllo qualità arriva una polvere bianca: è la fase cristallina giusta o si è formato un sottoprodotto indesiderato? È il polimorfo corretto del principio attivo? La materia prima è quella dichiarata dal fornitore? A queste domande risponde in pochi minuti la diffrazione di polveri (XRD), una delle tecniche analitiche più usate per identificare e controllare i materiali cristallini.

Vediamo come funziona la diffrazione di polveri, perché ogni sostanza cristallina ha un diffrattogramma «impronta» e quali informazioni di controllo qualità se ne ricavano.

Dal cristallo singolo alla polvere

Studiare un singolo cristallo perfetto dà la struttura completa, ma è lento e richiede cristalli di buona qualità. Nella pratica industriale si lavora quasi sempre su polveri: il campione è macinato in tanti microcristalli orientati a caso in tutte le direzioni. Questo significa che, qualunque sia l’angolo del fascio, ci sarà sempre un certo numero di cristalliti orientati giusti per soddisfare la legge di Bragg su ciascuna famiglia di piani. Il risultato è una serie di fasci diffratti che, raccolti al variare dell’angolo, formano il diffrattogramma: un grafico dell’intensità in funzione dell’angolo 2θ.

Posizione e intensità dei picchi

Due informazioni si leggono in ogni diffrattogramma. La posizione dei picchi (l’angolo 2θ) dipende dalle distanze tra i piani, e quindi dalle dimensioni della cella: applicando la legge di Bragg, da ogni angolo si ricava una distanza d. L’intensità dei picchi, invece, dipende da quali atomi stanno nella cella e da come sono disposti: atomi pesanti diffondono più dei leggeri, e la loro posizione fa sì che certi riflessi siano forti e altri deboli o assenti. La coppia «posizioni + intensità» è praticamente unica per ogni sostanza.

2θmisurato  →  d = λ2 sin θ  →  identità della fase

L’identificazione di fase

Poiché ogni fase cristallina ha il suo diffrattogramma caratteristico, l’XRD è prima di tutto uno strumento di identificazione. Il diffrattogramma misurato si confronta automaticamente con un enorme archivio di diffrattogrammi di riferimento (la banca dati dell’ICDD raccoglie centinaia di migliaia di sostanze note) tramite algoritmi di search-match: il software cerca la o le fasi che meglio riproducono i picchi osservati. In una miscela, ogni fase contribuisce con i propri picchi, e si possono così riconoscere più componenti contemporaneamente — cosa che la sola analisi chimica elementare non permette, perché distingue gli elementi ma non come sono combinati e cristallizzati.

Che cosa si controlla con l’XRD

Oltre all’identificazione, la diffrazione di polveri fornisce molte informazioni di controllo qualità.

Perché conta nella pratica

La diffrazione di polveri è una delle analisi più richieste nei controlli di qualità di chi produce o utilizza solidi cristallini: industria farmaceutica (verifica del polimorfo e della purezza di fase), pigmenti e ceramici, cementi, catalizzatori, minerali e materie prime. Permette di confermare che un materiale è davvero ciò che deve essere, di smascherare contaminazioni o forme cristalline sbagliate e di monitorare la costanza di produzione lotto per lotto. Saper leggere un diffrattogramma — riconoscere i picchi, capire che cosa significano posizione, intensità e larghezza — è una competenza analitica concreta e molto spendibile in un laboratorio chimico.

Domande frequenti

Che cos’è la diffrazione di polveri (XRD)?

È una tecnica analitica che invia raggi X su un campione di polvere cristallina e misura gli angoli a cui il fascio viene diffratto. Il risultato è un diffrattogramma, un grafico dell’intensità in funzione dell’angolo 2θ, in cui ogni picco corrisponde a una famiglia di piani reticolari. Serve soprattutto a identificare le fasi cristalline presenti.

Perché ogni sostanza ha un diffrattogramma caratteristico?

Perché posizione e intensità dei picchi dipendono dalla struttura specifica della sostanza: le distanze tra i piani fissano gli angoli dei picchi, mentre il tipo e la disposizione degli atomi ne fissano le intensità. L’insieme di queste informazioni è praticamente unico, come un’impronta digitale, e permette di riconoscere la fase per confronto con banche dati.

Che differenza c’è tra analisi elementare e diffrazione?

L’analisi elementare dice quali elementi chimici sono presenti e in quale quantità, ma non come sono combinati; la diffrazione dice quali fasi cristalline ci sono. Materiali con identica composizione ma struttura diversa, come grafite e diamante o due polimorfi, sono identici all’analisi elementare ma danno diffrattogrammi del tutto diversi.

L’XRD può distinguere i polimorfi?

Sì, ed è uno dei suoi usi più importanti. Polimorfi diversi hanno strutture cristalline diverse e quindi diffrattogrammi diversi, pur avendo identica composizione chimica. Per questo la diffrazione di polveri è lo strumento standard per verificare che un principio attivo farmaceutico sia nella forma polimorfa corretta e stabile.

Che altro si misura oltre all’identità della fase?

Dalla diffrazione si ricavano anche la purezza di fase (picchi estranei segnalano impurezze cristalline), il grado di cristallinità (confrontando l’area dei picchi con l’alone amorfo), la dimensione dei cristalliti (i picchi si allargano quando i cristalliti sono molto piccoli) e, con analisi quantitative, le proporzioni tra più fasi presenti in una miscela.