Estudo cristaloquímico de minerais: modelos de desordem e análise de sistemas iônicos utilizando Superfícies de Hirshfeld
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Tese de doutorado
Título alternativo
Crystall-chemistry study of minerals: Disorder models and ionic systems analysis using Hirshfeld Surfaces
Primeiro orientador
Membros da banca
Jackson Antonio Lamounier Camargos Resende
Antonio Carlos Doriguetto
Wagner da Nova Mussel
Luciano Andrey Montoro
Antonio Carlos Doriguetto
Wagner da Nova Mussel
Luciano Andrey Montoro
Resumo
Amostras de monocristais de minerais de tântalo e nióbio (neste estudo ixiolita e columbita) e outros minerais associados encontrados na natureza (neste estudo ilmenita) com frequência apresentam alta desordem cristalográfica devido ao seu histórico de formação geológica. Vários métodos têm sido empregados para se reduzir a desordem do sistema de modo a tornar o a solução de estrutura e o refinamento cristalográfico mais estáveis e representativos. Neste caso o procedimento mais empregado é o aquecimento dos monocristais – annealing. Apesar de gerar monocristais ordenados que possibilitam tratamentos de dados mais diretos, o procedimento causa a perda da informação sobre a desordem do sistema e parcialmente o descontextualiza das características e dinâmica de evolução do seu sistema parental. Em nossa abordagem realizamos um estudo em temperatura ambiente / baixa temperatura; em contraste aos procedimentos de annealing tipicamente realizados empregamos uma estratégia de ajuste baseada somente em restraints / constraints apoiados em outras técnicas analíticas no refinamento cristalográfico para obtenção da estrutura com informação da desordem do sistema e sua correlação com a evolução mineralógica. Uma estratégia estruturada de refinamentos em blocos com constraints de balanços de carga/massa com refinamento sistemático da desordem provou ser uma ferramenta interessante para se obter informação estrutural consistente da amostra mineral de tantalita-columbita com alto nível de desordem substitucional e posicional. A desordem translacional possui um modelo com perfil mais complexo, podendo alterar a simetria do sistema observada na coleta de dados e resolução de estrutura. Em nosso trabalho utilizamos o perfil de reflexões múltiplas sobre direções de extinções sistemática para embasar o modelo de desordem elaborado. Adicionalmente à resolução de estrutura e refinamento, as estruturas foram submetidas a análise estrutural utilizando uma nova metodologia baseada nas superfícies de Hirshfeld desenvolvida neste trabalho, com intuito de estimar as cargas e os raios iônicos orbitais envolvidos nas ligações entre os íons do sistema. O uso de superfícies de Hirshfeld para avaliar características de íons tem desafios em aberto na metodologia classicamente empregada na análise e elaboração destas superfícies. Neste trabalho propomos também um novo modelo de uso desta abordagem para sistemas iônicos.
Abstract
Single-crystal samples of tantalum and niobium minerals and other associated minerals found in nature often show high crystallographic disorder due to their geological formation history. Several methods have been employed to reduce system disorder to make the structure solution and crystallographic refinement more stable and representative. In this case, the most used procedure is heating the single crystals – annealing. Despite generating ordered single crystals that allow more direct data treatments, the procedure causes the loss of information about the disorder about the system and partially decontextualizes it from the characteristics and dynamics of evolution from its parental system. In our approach we performed a study at room / low temperature; in contrast to the typically performed annealing procedures, we employ an adjustment strategy based only on restraints / constraints supported by other analytical techniques in crystallographic refinement to obtain the structure with the system’s disorder information and its correlation with the mineralogical evolution. A structured strategy of block refinements with charge / mass balance constraints with systematic disorder refinement proved to be an interesting tool to obtain consistent structural information from tantalite-columbite mineral samples with high level of substitutional and positional disorder. The translational disorder has a model with a more complex profile, which can change the system’s symmetry observed on data collection and structure resolution. In our work, we used the multiple reflection’s profile over the directions of systematic extinctions to support the elaborated model of disorder. In addition to the structure resolution and refinement, the structures were submitted to structural analysis using a new methodology based on Hirshfeld Surfaces developed on this work, aiming the estimation of ionic charges and orbital radii involved on bonds between the system’s ions. The use of Hirshfeld surfaces to evaluate ion characteristics has open challenges in the methodology classically employed in the analysis and construction of these surfaces. In this work we also propose a new model for using this approach for ionic systems.
Assunto
Físico-química, Cristalografia, Columbita, Ilmenita, Nióbio, Tântalo, Raios X – Difração, Microscopia eletrônica de varredura, Mössbauer, Espectroscopia de
Palavras-chave
Ixiolita, Columbita, Cristaloquímica, Desordem cristalográfica, Superfícies de Hirshfeld, Cristalografia, Difratometria, Raios X, Monocristal, Mineral, Nióbio, Tântalo, Pegmatito
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