curso de caracterização de bens culturais cabens...

Algumas técnicas de caracterização

de materiais aplicadas ao patrimônio

cultural

Curso de Caracterização de Bens Culturais

CABENS

2011

Augusto Camara Neiva

LABENS (Laboratório de Caracterização de Bens Culturais) – Poli - USP

o que poderíamos querer identificar

e quantificar?

o que como

elementos Espectroscopias de raios X

tipo de molécula Espectroscopias moleculares

(IV, Raman, etc)

tipo de cristal Difração

distribuição

espacial

Microscopia, radiografia, etc

Grandes grupos de materiais

• Metais – cristais simples (por exemplo Fe CFC), cristais mais complicados (por exemplo Fe3C)

• Polímeros (plásticos, borracha, madeiras, resinas, tintas ...) – moléculas longas, eventualmente ordenadas (esferulitos)

• Cerâmicas, pedras – cristais de óxidos ou outros compostos, e regiões amorfas (ou seja, não-cristalinas) entre eles

O que interessa? Depende do

caso, mas usualmente...

Composição

elementar

Tipo de

molécula ou

de cristal

Distribuição

espacial

polímeros depende importante

(molécula)

médio

cerâmicas importante importante

(cristal)

médio

metais importante importante

(cristal)

importante

O que interessa? Depende do caso

Composição

elementar

Tipo de

molécula ou

de cristal

Distribuição

espacial

polímeros:identificar

pigmentos

depende

importante

importante

(molécula)

médio

cerâmicas importante importante

(cristal)

médio


(cristal)

importante


Composição

elementar

Tipo de

molécula ou

de cristal

Distribuição

espacial


pigmentos

depende

importante

importante

(molécula)

médio

cerâmicas:

origem

importante importante

(cristal)

médio


(cristal)

importante


Composição

elementar

Tipo de

molécula ou

de cristal

Distribuição

espacial


pigmentos

depende

importante

importante

(molécula)

médio

cerâmicas: origem


(cristal)

médio

metais: origem, técnica


(cristal)

importante

Grupos de técnicas

Espectroscopias

Com base em energias características, identificação de elementos (espectroscopias atômicas) ou moléculas (espectro quantificação scopias moleculares).

Difração

Com base em difração de raios X, elétrons ou nêutrons, identificação de estruturas cristalinas.

Imagem

Com base em contrastes baseados em diferentes fenômenos, observação da distribuição espacial dos diversos componentes estruturais e microestruturais. Podemos incluir neste grupo a fotografia, a radiografia, as microscopias, etc.

detectado incidente espectroscopias difração imagem

raios X raios X FRX, EXAFS,

SEXAFS

DRX mapas MEV

radiografia

raios X íons PIXE

raios X elétrons EDXA e WDS (em

MEV, MET), ATEM

rad

iaçõ

es


raios íons PIGE

raios raios Mössbauer


SEXAFS

DRX mapas MEV

radiografia

raios X íons PIXE


MEV, MET), ATEM

luz visível

e UV

- espectroscopias de

emissão

luz visível

e UV

LV e UV Raman, PCS,

UVAS, colorimetria

microscopia óptica

e UV, luz rasante,

foto UV

IV IV FTIR, ATR, IRAS foto IV

microondas microondas ressonância de elétrons

rádio rádio ressonância magnética

rad

iaçõ

es


raios íons PIGE

raios raios Mössbauer


SEXAFS

DRX mapas MEV

radiografia

raios X íons PIXE


MEV, MET), ATEM

luz visível

e UV

- espectroscopias de

emissão

luz

visível e

UV

LV e UV Raman, PCS,

UVAS, colorimetria

microscopia

óptica e UV, luz

rasante, foto UV

IV IV FTIR, ATR, IRAS foto IV

microondas microondas ressonância de elétrons

rádio rádio ressonância magnética

rad

iaçõ

es

DRX – difração de raios X

Lei de Bragg n = 2 d sen interferência construtiva

DRX – difração de raios X

Filme de SmCo5 sobre Cr

Espectroscopias de raios X

seja isto um átomo

elétrons

núcleo (cargas neutras e

positivas)

algumas representações melhores

mas vamos ficar com aquela mesmo...

energia

6,3

6,05,95,8

4,3

incidindo raios X

energia

6,3

6,05,95,8

4,3

energia

6,3

6,05,95,8

4,3

um elétron absorve a energia do

raio X

energia

6,3

6,05,95,8

4,3

com o aumento de sua

energia, o elétron sai do

átomo

energia

6,3

6,05,95,8

4,3

nível de baixa

energia vazio

com o aumento de sua

energia, o elétron sai do

átomo

e o seu nível original

fica vazio

energia

6,3

6,05,95,8

4,3

nível de baixa

energia vazio

energia

6,3

6,05,95,8

4,3

nível de baixa

energia vazio

um elétron mais energético desce para

o nível vazio

energia

6,3

6,05,95,8

4,3

a energia perdida é emitida como

radiação, na faixa de energia dos

raios X

energia

6,3

6,05,95,8

4,3

2,0

energia = 2,0a energia perdida é emitida como

radiação, na faixa de energia dos

raios X

energia

6,3

6,05,95,8

4,3

2,0

1,5 1,6 1,7 0,3 0,4 0,5 2,0

energia0,3 0,4 0,5 1,5 1,6 1,7 2,0

elemento X

co

nta

gens

elemento X

existem várias outras

possibilidades de

transições

para um elemento diferente...

energia

6,3

6,05,95,8

4,3

2,0

1,5 1,6 1,7 0,3 0,4 0,5 2,0

energia0,3 0,4 0,5 1,5 1,6 1,7 2,0

elemento X

co

nta

gens

energia0,4 0,5 0,6 1,6 1,7 1,8 2,1

elemento Y

co

nta

gens

elemento X

elemento diferente:

energias diferentes

para os dois juntos

energia0,3 0,4 0,5 1,5 1,6 1,7 2,0

elemento X

co

nta

gens

energia0,35 0,45 0,55 1,55 1,65 1,75 2,05

elemento Y

co

nta

gens

energia

elementos X e Y

conta

gens

liga com 60%

X e 40% Y

resumindo e ampliando...

energia

0,3 0,4 0,5 1,5 1,6 1,7 2,0

elemento X

conta

gens

raios X raios X

feixe de

elétrons

feixe de

íons

técnicas

feixe

incidente

feixe

detetado

técnica

raios X raios X FRX (espectroscopia de

fluorescência de raios X)

XRF, EDXRF, -EDXRF...

elétrons raios X Microssonda do MEV

(microscópio eletrônico de

varredura) (EDXA, WDS, EDS...)

íons raios X PIXE (particle induced X-ray

emission)

independentemente da forma como

estejam (que formas são essas?).

As três técnicas identificam e quantificam

elementos (o que mais poderíamos

querer identificar e quantificar?)

Antes disso: se o espectro das

três técnicas é igual, então dá

no mesmo?

dá no mesmo?

MEV-EDXA PIXE FRX

Localizada? sim ( 1 m) Pode ser pequena Pode ser pequena

Elementos

leves?

desde C desde Mg (PIXE

externo)

desde Mg (ao ar)

Elementos

pesados?

Usualmente linhas

L e M

Usualmente

linhas L e M

Pode usar linhas K,

dependendo da fonte

Tamanho

máximo da

amostra

Usualmente cerca de

5 a 10 cm (espaço na

câmara de vácuo)

O que couber

na sala (PIXE

externo)

Qualquer um (ao ar)

Portátil? Não Não Sim

Mínimo teor 100 ppm 1 ppm 100 ppm

Acréscimo

do

Appoloni

PIXE

MEV

AED (raios X):

• 97,2%Pr 2,8%Fe

• fase com alto B

• 86,7%Fe 13,3%Pr (e B)

Pr-Fe-B

LAMFI - 1.7MV Pelletron Accelerator

RBS - Station

External beam setup

X-Ray detector - Amptec XR-100CR (sample)

Exit window and thin gold foil

X-Ray detector (beam current)

PIXE

FRXFRX portátil

(comercial)

FRX compacto

dá no mesmo?

MEV-EDXA PIXE FRX

Localizada? sim ( 1 m) Pode ser pequena Pode ser pequena

Elementos

leves?

desde C desde Mg (PIXE

externo)

desde Mg (ao ar)

Elementos

pesados?

Usualmente linhas

L e M

Usualmente

linhas L e M

Pode usar linhas K,

dependendo da fonte

Tamanho

máximo da

amostra

Usualmente cerca de

5 a 10 cm (espaço na

câmara de vácuo)

O que couber

na sala (PIXE

externo)

Qualquer um (ao ar)

Portátil? Não Não Sim

Mínimo teor 100 ppm 1 ppm 100 ppm

As três técnicas identificam e quantificam

elementos (o que mais poderíamos

querer identificar e quantificar?),

independentemente da forma como

estejam (que formas são essas?).

que formas são estas?

Como a energia dos raios X corresponde a orbitais

de baixa energia (ou seja, os mais internos), que

não participam das ligações químicas, não importa

o que estiver ocorrrendo com os orbitais mais

externos

Átomos isolados

Ligação iônica

(sais, cerâmicas,

etc)

íon positivo (perdeu

um elétron)

íon negativo (ganhou

um elétron)

Ligações metálicas

elétrons livres

elétrons livres

Ligações covalentes (polímeros, cerâmicas, etc)

elétrons compartilhados

entre dois átomos

metálicacovalente

iônica

em nenhuma destas ligações

os orbitais mais internos foram

afetados

a identificação do elemento por

raios X não é afetada

continuação da tabela

• Nem só de radiações se fazem feixes

• Feixes de partículas (ou conjuntos de

partículas) com massa:

– Elétrons (tubo catódico em TV, microscópios

eletrônicos, etc)

– Íons e prótons (Laboratório de Feixes Iônicos,

no IFUSP)

– Nêutrons (reatores nucleares)


íons (sputtering) íons SIMS

íons(retroespalhados)

íons RBS, ISS, NRA

prótons (retroespalhados)

prótons PBS

nêutrons nêutrons difração de

nêutrons

elétrons Auger elétrons espectroscopia Auger microscopia

Auger

elétrons internos raios X XPS (ESCA)

elétrons

retroespalhadoselétrons MEV (BSI)

elétrons

secundáriosMEV (SEI)

elétrons

difratados

MET, RHEED,

LEED

MET, RIEM

elétrons

transmitidos

EELS, EXELFS

part

ícu

las

RBS (Rutherford Backscattering)

Retroespalhamento de íons

seja isto um íon

de um

elemento leve

seja isto um

átomo de um

elemento

pesado

íon de

elemento leveátomo de

elemento leve

íon de

elemento leve

átomo de

elemento

médio

v = 0

energia = 0

v = média

energia = média

v = alta

energia = alta

energia cinética na volta

PbAl

íons incidentes

(energia = 7,0)

íons retroespalhados

alta energia (p.ex. 6,0)

alta energia, um pouco

diminuída pelos

choques (p.ex. 5,5)

baixa energia (Al), um

pouco diminuída pelos

choques (p.ex. 2,5)

baixa energia (Al), mais

diminuída pelos

choques (p.ex. 2,0)

2,0 2,5 5,5 6,0 energia

conta

gens

a – espessura do Pb

b – distância do Al até

a superfície

c – espessura do Al

c b a

Al Pb

valores tabelados (em

função da energia do

feixe incidente)

Chocalhos

cencerros

peça para análise

LAMFI-IFUSP

Dr. Manfredo

Tabakniks et al

Espectro RBS da mancha dourada e sua simulação teórica

feixe de H+, 2,4 MeV (alcance ~20 µm)

Au

Ag

Cu

LAMFI - IFUSP

relative concentration

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 1 2 3depth (µm)

gold

silver

copper

Composição relativa da “mancha dourada”

LAMFI - IFUSP

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