Je leest:

Een scherper beeld van atomen

Een scherper beeld van atomen

Auteurs: en | 1 oktober 2001

Sinds 1977 is Rietveld Refinement een standaardtechniek bij structuuranalyse van poedervormige materialen met behulp van röntgendiffractie. De methode draagt de naam van dr. Hugo Rietveld, één van de Nederlandse pioniers op dit gebied.

In de zestiger jaren bouwden de kristallografen Bert Loopstra, Bob van Laar en Hugo Rietveld een Neutronen Poeder Diffractometer in het Reactor Centrum Nederland in Petten (RCN, het tegenwoordige ECN). Het wetenschappelijke doel was om kristalstructuren te bepalen van kristallijne poeders via neutronendiffractie. Zulke metingen met kortgolvige straling geven de unieke mogelijkheid om in kristallen de driedimensionale ligging van de atomen in moleculen nauwkeurig te bepalen. De eerste bepalingen werden gedaan aan eenvoudige verbindingen en verliepen voorspoedig. Maar zodra de kristalstructuren complex werden, liepen de onderzoekers op tegen overlap in de diffractiepatronen, die daardoor onoplosbaar werden.

Hoge flux reactor. Bron: Dr. Hugo M. Rietveld, Alkmaar.

De goede richting

De groep – jonge – onderzoekers heeft toen twee belangrijke stappen gezet. De eerste betrof de golflengte waarbij de experimenten werden uitgevoerd: het bleek dat met een golflengte van 2.6 Ångstrom (10-10 meter) en een filter van pyrolytisch grafiet de resolutie van het diffractiepatroon optimaal werd en dus de overlap van de reflecties minimaal. Dat hielp al maar dikwijls niet genoeg. Er was nog een stap nodig.

Diffractie levert minder informatie dan lichtprojectie. Schijnt in een projector een lichtbron bijvoorbeeld op een dia van een groen weiland dan wordt dat door de lens haarscherp afgebeeld op een scherm. Verwijderen we nu de lens uit de projector en kijken we weer naar het scherm dan zien we een egaal groene kleur, wel kleur maar geen scherpte.

Neutronendiffractie. In een kristallijn poeder fungeren de kristalletjes als neutronen- (en röntgen-) spiegels. Bij bepaalde oriëntaties van de roterende ‘spiegels’ ten opzichte van de stralingsbron zal diffractie (spiegeling) optreden. Een profiel van een diffractiepatroon van een roterend poeder krijg je door het intensiteitsverloop van de neutronenflitsen, zoals die door een telbuis worden geregistreerd uit te zetten als functie van de rotatiehoek. Dit levert een voor elk materiaal karakteristiek spectrum op. Hier dat van de wasmiddelzeoliet NaA.

Dat laatste is vergelijkbaar met diffractie. Als we met een evenwijdige bundel van 2.6 Å naar een kristallijn preparaat kijken, krijgen we door diffractie wel informatie over het object, maar te weinig om de kristalstructuur direct te kunnen zien. Willen we die structuur toch zien, dan moeten we voor de diffractiemetingen een computersimulatie van een lens maken. Dat gaat in twee stappen, eerst een ruw structuurmodel te pakken krijgen, en dan dit model scherp stellen.

Het eerste is een kunst op zichzelf waaraan Nederlandse kristallografen belangrijk hebben bijdragen. Het laatste komt neer op het verstandig verschuiven van de atomen in het model totdat de op grond van het model berekende diffractie-intensiteiten zo goed mogelijk lijken op de gemeten intensiteiten.

Rietveld refinement

Dit verfijnen gebeurde in de jaren zestig op grond van intensiteiten van losse reflecties en van groepjes van overlappende reflecties. Omdat dit vaak mis ging, zocht de RCN-groep naar alternatieven. Rietveld bedacht dat het wellicht beter was om niet alleen de intensiteiten op maximale piekhoogte te gebruiken maar ook die op de flanken van de piek. Het aantal experimentele gegevens nam daardoor enorm toe.

Van Laar werkte dit wiskundig uit en Rietveld schreef er een computer programma voor en toonde aan dat deze aanpak tot superieure resultaten leidde. Toch duurde het jaren voor de methode voor vol aan werd gezien. Daartoe moest eerst een robuust gebruikersprogramma beschikbaar komen.

Deze techniek, die Rietveld Refinement (RR) genoemd wordt, is vanaf 1977 gebruikt in de röntgendiffractie. Maar omdat de experimentele piekvorm voor röntgenstraling minder goed is bepaald dan voor neutronen wordt tot op de dag van vandaag aan de RR gesleuteld.

Dr. H.M. Rietveld Bron: Dr. Hugo M. Rietveld, Alkmaar.

Er zijn inmiddels talloze RR-programma’s in omloop, maar in elk daarvan zitten nog steeds onderdelen van de originele 1969-code. Per jaar wordt de RR in duizenden onderzoekingen gebruikt, al lang niet meer voor structuurbepalingen alleen, maar bijvoorbeeld ook voor kwantitatieve faseanalyses. Een citaat tenslotte, uit een aan de Rietveld-methode gewijd boek dat bij de Oxford University Press is uitgegeven: `The RR is now widely recognized to be uniquely valuable for structural analyses of nearly all classes of crystalline materials not available as single crystals’. Van de Koninklijke Zweedse Academie van Wetenschappen kreeg Rietveld de Aminoff prijs – een soort Nobelprijs voor de technische wetenschappen – ‘als erkenning voor zijn ontwikkeling van profielverfijningsmethoden voor de analyse van poederdiffractiedata’.

Rietveld (links) ontvangt uit handen van koning Gustav van Zweden de Gregori Aminoff-prijs, een soort Nobelprijs voor de technische wetenschappen. Bron: Dr. Hugo M. Rietveld, Alkmaar.

Hugo Rietveld is behalve wetenschapper overigens ook een verdienstelijk jazz-pianist.

Literatuur:

Hugo M. Rietveld, The early days: a retrospective view. In R.A. Young (ed.) The Rietveld Method, Oxford University Press (1993)

Zie ook:

Dijken
KNAW

Dit artikel is afkomstig uit het boek Chemie achter de dijken, een gezamenlijke uitgave van de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen (KNAW) en de Koninklijke Nederlandse Chemische Vereniging (KNCV). Het werd in 2001 uitgegeven ter herdenking van het feit dat de Nederlander Jacobus Henricus Van ‘t Hoff honderd jaar eerder in 1901 de allereerste Nobelprijs voor de scheikunde won. Chemie achter de dijken belicht Nederlandse uitvindingen en ontdekkingen op chemisch gebied sinds 1901. In zo’n zeventig bijdragen (voor het overgrote deel opgenomen in Kennislink) wordt de betekenis van de Nederlandse chemie duidelijk voor ontwikkelingen op het gebied van de gezondheidszorg (bijvoorbeeld de kunstnier), de voedingsmiddelenindustrie (onder andere zoetstoffen), de kledingindustrie (bijvoorbeeld ademende regenkleding) of de elektronica (zoals herschrijfbare CD’s).

Dit artikel is een publicatie van KNAW/KNCV.
© KNAW/KNCV, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 oktober 2001

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.