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Three-dimensional Electron Diffraction for Crystal Structure Solution of Complex Natural Silicates

Buchsteiner, Emilia (2024)
Three-dimensional Electron Diffraction for Crystal Structure Solution of Complex Natural Silicates.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00028913
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

The characterization and hence the understanding of complex silicates pose a significant challenge due to their intricate structures and diverse chemical compositions. Conventional crystallographic techniques often fall short in providing comprehensive and accurate crystal structure information for these structures. However, recent advances in electron diffraction techniques offer promising avenues for overcoming these limitations. This thesis explores the application of three-dimensional electron diffraction (3D ED) as a powerful tool for solving the crystal structures of complex natural silicates. Three minerals were chosen for their exceptional and challenging structural characteristics, which have previously complicated or even hindered successful structure determination through conventional methods such as X-ray powder diffraction (XRPD). In the first part of the study, a structure solution on a single crystal of illite is demonstrated, where prior attempts using XRPD failed due to inherent limitations in dealing with its impurity and disorder. Additionally, a new form of disorder is identified and characterized, providing valuable insights into fluid-dependent structure alterations and rendering a new model for XRPD data refinement. With labradorite, the research showcases 3D ED's ability to handle materials with incommensurate modulations and low symmetry, offering a possibility for direct comparison of data taken from different length scales. Moreover, a complete hierarchical structure description is provided. Finally, the structure of one of the most intricate minerals known, eveslogite, is solved despite its twinning on a nanoscale demonstrating the advantage of an accessibility to single crystalline nano domains. Throughout this thesis, the advantages of 3D ED as a promising alternative to traditional methods are highlighted, especially in dealing with complex silicate minerals. The successes achieved in unraveling the atomic structures of illite, labradorite and eveslogite, which constitutes the largest mineral structure ever solved by 3D ED methods, demonstrate the power and versatility of 3D ED as a cutting-edge technique for structure analysis in the realm of mineralogical research. These findings pave the way for further advancements and open new avenues in the field of crystallography.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2024
Autor(en): Buchsteiner, Emilia
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Three-dimensional Electron Diffraction for Crystal Structure Solution of Complex Natural Silicates
Sprache: Englisch
Referenten: Kolb, Prof. Dr. Ute ; Schüth, Prof. Dr. Christoph
Publikationsjahr: 18 Dezember 2024
Ort: Darmstadt
Kollation: 251 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 15 Oktober 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00028913
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/28913
Kurzbeschreibung (Abstract):

The characterization and hence the understanding of complex silicates pose a significant challenge due to their intricate structures and diverse chemical compositions. Conventional crystallographic techniques often fall short in providing comprehensive and accurate crystal structure information for these structures. However, recent advances in electron diffraction techniques offer promising avenues for overcoming these limitations. This thesis explores the application of three-dimensional electron diffraction (3D ED) as a powerful tool for solving the crystal structures of complex natural silicates. Three minerals were chosen for their exceptional and challenging structural characteristics, which have previously complicated or even hindered successful structure determination through conventional methods such as X-ray powder diffraction (XRPD). In the first part of the study, a structure solution on a single crystal of illite is demonstrated, where prior attempts using XRPD failed due to inherent limitations in dealing with its impurity and disorder. Additionally, a new form of disorder is identified and characterized, providing valuable insights into fluid-dependent structure alterations and rendering a new model for XRPD data refinement. With labradorite, the research showcases 3D ED's ability to handle materials with incommensurate modulations and low symmetry, offering a possibility for direct comparison of data taken from different length scales. Moreover, a complete hierarchical structure description is provided. Finally, the structure of one of the most intricate minerals known, eveslogite, is solved despite its twinning on a nanoscale demonstrating the advantage of an accessibility to single crystalline nano domains. Throughout this thesis, the advantages of 3D ED as a promising alternative to traditional methods are highlighted, especially in dealing with complex silicate minerals. The successes achieved in unraveling the atomic structures of illite, labradorite and eveslogite, which constitutes the largest mineral structure ever solved by 3D ED methods, demonstrate the power and versatility of 3D ED as a cutting-edge technique for structure analysis in the realm of mineralogical research. These findings pave the way for further advancements and open new avenues in the field of crystallography.

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Alternatives AbstractSprache

Die Charakterisierung und das Verständnis komplexer Silikatminerale stellen aufgrund ihrer komplizierten Strukturen und vielfaltigen chemischen Zusammensetzungen eine große Herausforderung dar. Für eine genaue und umfassende Beschreibung dieser Kristallstrukturen, erweisen sich herkömmliche kristallographische Techniken oft als unzureichend. Aktuelle Fortschritte in den Elektronenbeugungstechniken bieten jedoch vielversprechende Möglichkeiten, um diese Einschränkungen zu überwinden. Diese Dissertation zeigt die Anwendung der dreidimensionalen Elektronenbeugung (3D ED) als leistungsfähiges Werkzeug zur Lösung der Kristallstrukturen komplexer natürlicher Silikate. Aufgrund ihrer außergewöhnlichen und herausfordernden strukturellen Eigenschaften wurden drei Minerale ausgewählt, bei denen zuvor eine erfolgreiche Strukturbestimmung durch konventionelle Methoden wie die Röntgenpulverdiffraktometrie (XRPD) stark verkompliziert oder nicht möglich war. Im ersten Teil der Studie wird eine Strukturlosung an einem Illit Einkristall demonstriert, bei welchem bisherige Versuche mittels XRPD aufgrund großer Einschränkungen durch Verunreinigungen und Unordnungsphänomenen gescheitert waren. Zusätzlich wird eine neue Form der Unordnung im Illit identifiziert und charakterisiert, was wertvolle Einblicke in Fluid­ abhängige Alterationen der Struktur liefert und ein neues Modell für XRPD Verfeinerungen erbringt. Anhand von Labradorit wird gezeigt, dass 3D ED Materialien mit inkommensurablen Modulationen und niedrigen Symmetrien bewältigen kann und eine Möglichkeit zum Vergleich von Daten aus verschiedenen Größenskalen bietet. Darüber hinaus wird eine vollständige hierarchische Strukturbeschreibung präsentiert. Abschließend wird die Struktur eines der komplexesten bekannten Minerale, Eveslogit, trotz starker Verzwilligung auf der Nanoskala analysiert, was den Vorteil von auflösbaren einkristallinen Nanodomänen zeigt. Im Verlauf dieser Dissertation werden die Vorteile von 3D ED als vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Methoden hervorgehoben, insbesondere im Umgang mit komplexen Silikatmineralen. Die erzielten Erfolge bei der Aufklarung der Kristallstrukturen von Illit, Labradorit und Eveslogit, welches die größte je mit 3D ED geloste Mineralstruktur darstellt, demonstrieren die Vielseitigkeit von 3D ED als innovative Technik für die Strukturanalyse im Bereich der mineralogischen Forschung. Diese Erkenntnisse ebnen den Weg für weitere Fortschritte und eröffnen neue Möglichkeiten auf dem Gebiet der Kristallographie.

Deutsch
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-289132
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften
11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Geowissenschaften
11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Geowissenschaften > Fachgebiet Geomaterialwissenschaft
TU-Projekte: PTJ|0324244A|ReSalt
Hinterlegungsdatum: 18 Dez 2024 13:18
Letzte Änderung: 19 Dez 2024 09:13
PPN:
Referenten: Kolb, Prof. Dr. Ute ; Schüth, Prof. Dr. Christoph
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 15 Oktober 2024
Export:
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