Incoatec射线源用于时间分辨X射线衍射
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非室温条件下的相变
引言
许多有机和无机材料在非室温条件下会发生相变。一个最突出的例子是在570℃以上从α石英到ß石英的转变。在这项研究中，我们研究了有机化合物铜磷酰亚胺（图1）。该物质被用作有机半导体和蓝色颜料。它在270℃以上从α-相转变为热稳定的ß相。还有其他一些著名的多晶体也会转变为ß相。
图 1: 酞菁铜的结构
实验装置
整套实验装置包括Cu靶微焦点X射线源IµS—配备最先进的二维聚焦多层膜镜片，温控热风机，mar-Desktop beamline平台以及IP板探测器mar345。 
图 2: Incoatec微焦点X射线源 IµS 与 mardtb 和成像板探测器 mar345 相结合。温控热风机指向样品。
将一个0.3mm的毛细管与细晶铜酞菁样品安装在桌面beamline上，并在30℃至350℃的温度范围内以0.75K-min-1的速度加热。在原位下监测相变过程。用Cu辐射拍摄照片，曝光时间为240秒，读出时间为63秒。使用FIT2D程序（Hammersly，ESRF）对这些图像进行整合并绘制（图3）。相变在大约300℃时清晰可见。
图 3：酞菁铜的衍射图案，其相变温度约为300℃
作为对比，第二组数据是在ANKA 同步辐射(Karlsruhe, Germany)记录的。为了对数据进行定量评估，所有图案都用TOPAS©进行了Rietveld精修。ß-铜酞菁的比例与温度的关系（图4）显示了曲线转折处的反应温度。同步辐射数据（275℃）和实验室数据（295℃）之间反应温度的差异仍在讨论中。
图 4: ß-铜酞菁的比例随温度的变化
为了计算活化能，使用了非等温的阿夫拉米理论[2]和来自等温同步辐射测量的阿夫拉米参数。图五显示了两组数据的Arrhenius图，来自实验室数据的计算能量（254±15 kJ·mol-1）和来自同步辐射数据的计算能量（245±8 kJ·mol-1）相互对应，也与等温同步辐射实验中计算的活化能（241±3 kJ-mol-1）对应。动力学结果总结如表1所示。
图 5：实验室和同步辐射数据的Arrhenius图
整套实验装置包括Cu-Kα辐射IµS，温控热风机，mar-Desktop beamline平台以及IP板探测器mar345。该套装置观察到了酞菁颜料在280℃时的相变过程；反应温度与激发能量通过衍射数据计算。
| Lab Experiment | Synchrotron | Synchrotron isothermal | |
Reaction- Temperature [°C] | 295 | 275 | |
Activation Energy [kJ·mol-1] | 254±15 | 245±8 | 241±3 |
结论
用实验室仪器获得的关于相变的反应温度和活化能的结果，与同步辐射数据的结果相当。这表明，用最先进的实验室设备也能像在同步辐射上一样研究动态过程，这样可以节省同步辐射机时。 本研究使用的数据包含更多的信息。热膨胀系数可以从峰位移计算出来。